Устройство для исследования центральной нервной системы Советский патент 1993 года по МПК A61N1/36 

(Л

С

Использование: устройство для исследования центральной нервной системы относится к; медицине и медицинской технике и может быть исщльзрвано для проведения нейрофизиологическйх экспериментов. Сущность: устройство содержит блох 1 заде рж ки, электрЬстймул яцйонiно-блокиро- вочный блок 2, раздражающие электроды 3, поляризукЬщйе электроДЪ 4, отводящие электроды 6, усилитель 7 биотоков, блок 8 вклкэчейия, оДновибратор 9, усилитель 10 мощности, реле 11, регистрирующий прибор 12, осциллограф 13 и зеркальный фотоаппарат 14, Блрк 1 задержки создает запаздывание подачи раздражающих и поляризующих сигналов на испытуемый объект 5 относительно , включения регистрирующего прибора 12, осциллографа 13 и зеркального фотоаппарата 14, которые фиксируют биосигналы как перед, так и во время воздействия. 1 з.п.ф-лы, 10 ил, j±

00 О

о о

со

Предлагаемое изобретение относится к медицине и может быть, в частности, использовано для проведения нейрофизиоло- гических исследований центральной нервной системы.,

Цель изобретения - повышение досто- верности регистрации биопотенциалов путем запаздывания нанесения раздражения относительно регистрации биопотенциалов......:....

Поставленная цель достигается введением последовательно соединенного одно- вибратора, .силителя мощности и реле, выход которого подключен к другому.входу регистрирующего прибора, поляризующие электроды, блок задержки и электрЬстйму- ляционно-блокировочный блок, вход которого подключен к выходу блока задержки, ё выходы - к раздражающим и поляризующим электродам, зеркальный фотоаппарат, подключенный ко второму входу осциллографа, причем выходи блока включения соединены с входами блока задержки, одновибратора и третьим входом осциллографа, -ц. ; .- . . , .-.. / -..;..-у.;-.. .-;

На фйг.1 показана структурная .схема предлагаемого устройства; на фиг.2 -структурная схема элёктростймуляционно-бткжИ ровочного блока; на фиг.З - принципиальная электрическая схема радиочастотного блока гальванической развязки; на фиг.4 - схема коммутатора; на фиг.5 - конструкция раздражающего и поляризующего электрода; на фиг.б - схема блока задержки; на фиг,7 - схема одновибратора; на фиг.8 конструкция отводящего электрода; на фиг.9 - блок включения; на фиг.10 - упрощенная схема эксперимента .

Устройство для исследования центральной нервной системы содержит (фиг.,1) блок задержки 1, элёкТростимуляционнр-блоки- ровочный блок 2, раздражающие электроды 3, поляризующие электроды 4, испытуемый объект (кошка под наркозом) 5, отводящие электроды 6, усилитель биотоков 7, блок включения 8, одновибратор 9, усилитель мощности ТО, реле 11, регистрирующий прибор 12, осциллограф 13, зеркальный фотоаппарат 1.4. Блок задержки 1 состоит из ждущего мультивибратора, дифференцирующей цепи, ограничителя и второго ждущего мультивибратора (фиг.б). Раздражающие и поляризующие электроды 3 и 4 состоят из корпуса из оргстекла и крышки. Внутри корпуса имеется паз, внутри которого располагается нерв. В пазе размещены серебряные электроды с отводящими проводами. Корпус соединяется с крышкой с помощью винта (фиг,8). Одновибратор 9 - обычный ждущий мультивибратор (фиг.7). Усилитель

биотоков 7 стандартный (например , УБНК). Усилитель мощности 10 стандартный. Элек- тростимуляционно-блокИррвочный блок 2 содержит генератор импульсов 15, формировате.ль экспоненты 16, ограничитель напряжения 17, первый радиочастотный блок гальванической развязки 18, дифференцирующую цепь 19, ждущий мультивибратор 20, пересчетную декаду 21, коммутатор 22,

генератор прямоугольных импульсов 23. формирователь импульсов 24, второй радиочастотный блок гальванической развязки 25 (фиг.2). Пересчетная декада стандартная. Коммутатор 22 состоит из диодов и ограничительных сопротивлений (фиг.4), Ждущий мультивибратор 20, генератор импульсов 15 выполнены по схеме ждущего мультивибратора. Генератор прямоугольных импульсов 23 выполнен по схеме симметричного мультивибратора, дифференцирующей цепочки, ограничителя и ждущего мультивибратора. Радиочастотный блок 1гаКьв аййческой развязки 18 и .25 выполнены на мощной генераторной лампе ГУ-29 (фиг.З). Блок включения

состоит .из кнопки, электронной схемы и тросика затвора фотоаппарата (фиг.9). Осциллограф 13 может быть использован низкочастотный с длительным послесвечением типа С-1-4 или аналогичный более соврёменный, Регистрирующий прибор 12 может быть использован типа Н-337-1П. Зеркальный фотоаппарат 14 использован типа Зе- нит-Зм или другой аналогичный более

современной конструкции. Зеркальный фотоаппарат 14 крепится к осциллографу 13 с помощью .спецИальногр тубуса, предотвращающего проникновение света к экрану ое:циллографа и обладающий достаточной

механической прочностью. БЛОК задержки1

(фиг. 1) соединен с электростимуляционным блоком 2. В сбою очередь, электростимуля- ционно-блокировоМный блок 2 имеет два ры- хода. Первый выход соединен с раздражающим электродом 3, а второй в.ыход соединен с поляризующими электродами 4. Оба электрода - поляризующий 4 и раздражающий 3 соединены с испытуемым объектом 5. Последний соединен с отводя,- , щими, электродами 6, выход которых соеди

ня.ется с усилителем биотоков 7. Выход усилителя биотоков 7 соединяется с первым входим регистрирующего прибора 12 и первым входом осциллографа 13. Ко второму входу осциллографа 13 подключен зеркальный фотоаппарат 14. Блок включения 8 соединенс первым входом блока задержки 1, с входом одновибратора 9 и третьим входом осциллографа 13. Выход одновибратора 9 соединен с усилителем мощности 10, а его выход соединен с реле 11, которое соединено со вторым входом регистрирующего .прибора 12.- Электростимуляционногблокиро- вочный блок 2 (фиг.1) имеет вход, подключенный к блоку задержки 1, с выхода которого имеется связь с генератором им- пульсов 15 (фиг.2), выход которого соединен с блоком гальеаническрй развязки 25 через формирователь экспоненты 16, ограничитель напряжения 17, дифференцирующую цбпь 19, Идущий мультивибратор 20, пере- счетную декаду 21, коммутатор 22, формирователь импульсов 24, Второй выход ограничителя напряжения 17 соединен с радиочастотным блоком гальванической развязки 18. Второй выход пересчетной декады 21 соединён с генератором прямоугольных импульсов 23. г

Устройство для исследования центральной нервной системы работает следующим образом, При включении кнопки КН блока включения 8(фйг,1 и 9) на блок задержки 1, одновибратор 9 и осциллограф 13 поступают острбкбнечныё импульсы. В это время начинается движение луча на экране электронно-лучевой трубки и срабатывает затвор Зеркального фотоаппарата 14. Через некоторое время, определяемое временем запаздывания импульса в блоке задержки 1, запускается электростймуляционно-блоки- ровочный блок 2. На поляризующий элект- род 4 поступает поляризующий импульс 28 (фйг.2), а на раздражающий электрод 3 поступает серия кодированных импульсов 31 и 32, При этом происходит отключение поляризующим видеоимпульсов 28 нужных нервных волокон, а на оставшиеся нервные волокна воздействуют импульсы раздражения 31 и 32 кодированной формы, фиг.2, Импульсы раздражения 31 и 32, воздействуя, например, на подколенный нерв, акти- вируют сложные нейронные структуры спинного мозга, состоящие из механизмов автоматического управления и регулирования, принимающих участие в кодировании информации, и вызывают на поверхности спинного мозга появление различных потенциалов, например, потенциалов до- рзальной поверхности. Эти потенциалы отводятся от оголенной поверхности спинного мозга с помощью отводящего электро- да 6 (фиг.8). После усиления биопотенциалов с помощью усилителя биотоков 7 они регистрируются на осциллографе 13 и на регистрирующем приборе 12. При этом развертка осциллографа 13 запускает- ся с упреждением и биопотенциалы регистрируются после яркой точки луча. Этим достигается регистрация биопотенциалов в чистом виде без маскирующего влияния яркого пятна в начале луча. Регистрирующий

прибор 12 также приходит в движение с опережением, т.к. с блока включения сигнал включения через одновибратор 9, усилитель мощности ТО и реле 11 сразу же приводит лентопротяжный механизм в действие. Поэтому лентопротяжный механизм регистрирующего прибора 12 успевает набрать стабильную скорость и биопотенциал регистрируется при постоянной скорости движения ленты. При этом происходит качественная регистрация биопотенциала на блоках 12 и 13. Зеркальный фотоаппарат 14 открыт до тех пор, пока не окончится движение луча через весь экран. После этого кнопка КН.блока 8 отпускается и устройство готово к съемке следующего биопотенциала. Луч осциллографа 13 возвращается в исходное крайнее левое положение. Лентопротяжный механизм регистрирующего прибора 12 также останавливается, т.к. время протяжки ленты определяется длительностью импульса с выхода одновибратора 9. Так работает все устройство в целом. Несколько слов о работе электростимул яционно-блокиро.вочного блока 2. Запускающий задержанный импульс с выхода блока задержки 1 запускает ждущий мультивибратор генератора импульсов 15 (фиг.2). С выхода блока 15 снимается импульс прямоугольной формы 26. Из этого импульса формирователем экспоненты 16 формируется двухкомпонентное несимметричное экспоненциальное напряжение 27. Формирователь экспоненты 16 состоит из пикового детектора с регулируемым шунтом и интегрирующей цепочкой. Пиковый детектор быстро заряжается и длительное время разряжается за счет большого обратного сопротивления диода. Интегрирующей цепочкой подбирается длительность переднего фронта двухкомпо- нентного несимметричного экспоненциального напряжения 27. Длительность напряжения подбирается величиной постоянной времени пикового детектора и интегрирующей цепочки. Для увеличения скорости разряда конденсатора пикового детектора его при необходимости можно шунтировать резистором. Проходя ограничитель напряжения 17 в виде диодного огра- ничителя по максимуму с регулируемым уровнем ограничения, двухкомпонентное экспоненциальное напряжение 27 преобразовывается в импульс 28, близкий по форме к трапецеидальному, показанному сплошной линией на фиг.2. Этот импульс поступает на первый радиочастотный блок гальванической развязки 18 канала поляризации, который генерирует высокочастотный сигнал, огибающая которого

выделяется детектором и фильтром (фиг.З), Таким образом, с выхода блока 18 снимается несимметричный видеоимпульс, близкий к трапецеидальной форме, который поступает на поляризующие электроды (фиг.8) для поляризации нерва с целью блокирования проведения определеннйх волокон смешанного нерва. Этот импульсразвязан от земли в пунктах стимуляции за .счёт де тектирования и фильтрации высокочастотного сигнала. Применение более простых альтернативных решений с трансформаторной или оптрэлёктронной развязкой исключено- Это связано с тем, что низкочастотная трансформаторная развязка в настоящее время используется только в лечебных электростимуляторах, к выходному импульсу ко- торых не предъявляется Bfeicoknx требований по качеству. Так, в Многоканальном электростимуляторе использован выходной каскад на трансформаторноиоп - тоэлектронной схеме. За счет замыкатель- ного и размыкательногб режима работы индукционной катушки на выходе формируется биополярный импульс экспоненциальной формы. Оптоэлектронная развязка также неприемлема из-за большого времени включения порядка 100 мкс (оптрон типа АОУ1032). Кроме того, для получения высокого напряжения при относительно мощном выходе нужен преобразователь, преобразующий низкое напряжение аккумуляторной батареи в высокое напряжение.

Предлагаемый радиочастотный блок гальванической развязки 18 собран по емкостной трехточечной схеме (фиг.З). Катушки LI и 1з снимают высокочастотный сигнал с катушки L.2 и подают его на управляющие сетки мощной генераторной лампы ГУ-29. Достоинством этой лампы является то, что при относительно низком анодном напряжении порядка 400 В она отдает высокую колебательную мощность. Мощные высокочастотные сигналы снимаются через катушку связи LS с анода колебательного контура L4-Le лампы. После детектирования детектором Д и фильтрации видеоимпульс поступает на клеммы 1 и 2. В эти клеммы вставляется вилка, которая с помощью шнура соединяется с электродом. Смешанный нерв вставляется в паз электрода и плотно прижимается к плоским лепесткам серебряного электрода с помощью крышки (фиг.8). Ограничитель напряжения 17 имеет два идентичных выхода. Оба выхода начинаются из одной точки, на которой формируется импульс 28. Затем цепь разветвляется на два выхода, импульсы с которых направляются по отдельным путям к блокам 18 и 19. С выхода блока 17 импульс 28 поступает на

дифференцирующую цепочку 19, которая дифференцирует его на два относительно остроконечных: импульса 29 (для удобства показан толькр один положительный треу- гол ьный импульс). Этот импульс запускает ждущий мультивибратор 20 канала раздражения,, который генерирует широкий импульс 30., используемый для питания ;Пёрёсчетно йдекады 2.1. На пересчетную де0 каду 21 подается тате, сигнал от генератора прямоугольных импул ьсов 23. Перёсчетна я декада 21 начинает счет импульсов; в момент подачи на него напря же- ния 30 с выхода блока 20. Пересчетная

5 Декада 21 натружена на индикаторную лампу (ИН-125), на которой загорается срртвет- ствуЮща я цифра в последовательности от О до 9. От каждой ножки индикаторной лампы импульсы поступают на коммутатор 22

0 (фиг.4). Коммутатор 22 выполнен в виде обычных в;ьгключатёлей Вг-Во, которые включаются через развязывающие диоды Di-D o. Если,, например, включены 1,3,4,5, 7 и 0 включатели, to формируется дёсяти5 ЧИая кодовая комбинация 1011101001, показанная на 32 (фиг.2). Кодовая крмбйнация может быть либо одиночной, либр .повторяться несколько раз. Если включены только 1, 2 и 5 включатели, то в этом положении

0 формируется кодовая комбинация 11001, показанная на 31. Такая кодовая комбинация может быть либо одна, либо несколько. Так, после пунктира на 31 показана вторая кодовая комбинация 11001,которая пол.уче5 на включением 6, 7 и 0 включателей. Таким образом формируется пятизначный; код. Аналогичным образом можно набрать любую 5-или 10 значную кодовую комбинэ- цию. Важно то, что можно получить любое

0 количество кодовых комбинаций, начиная с одной. При этом кодовые комбинации получаются каждый раз одни и те же и их количество определяется шириной импульса 30, Поэтому, к примеру, выставив один раз три

5 кодовые комбинации, можно с ними производить эксперименты необходимое число раз. Исключение появления на выхбде канала раздражения неполных кодовых комбинаций достигается выбором длительности

0 импульса 30. Полярность выходных сигналов можно менять изменением полярности включения вилки 1 и 2, Для окончательного формирования кодовых импульсов по форме и длительности используется форми5 рователь импульсов 24 в виде ждущего мультивибратора. С выхода блока 24 сформированные импульсы запускают второй радиочастотный блок, гальванической развязки канала раздражения 25, который как и блок 18 снабжен детектором и фильтром.

Таким образом, на фоне поляризации нерва на этот же нерв или на другие нервы наносится кодовая комбинация видеоимпульсов с 5-ти или 10 значным кодом. Длительность и форма переднего и заднего фронта импульса 28 оптимальная. Он нарастает плавно и не оказывает раздражающего действия на нерв. Плавное нарастание видеоимпульса 28 не оказывает раздражающего действия на нерв во время начала поляризации, а такое же плавное угасание видеоимпульса 28 не вызывает раздражающего воздействия на нерв во время снятия поляризации. Это является очень важным обстоятельством, т.к. позволяет осуществить качественную поляризацию нерва и тем самым дозированно отключать нужные нервные волокна смешанного нерва, Количество отключенных нервных волокон зависит от амплитуды видеоимпульса 28. Блок задержки Т (фиг Л) содержит ждущий мультивибратор .TiT2, выходной импульс которого дифференцируется цепочкой СзРи. Передний фронт убирается диодом D, а задний фронт используется для запуска следующего ждуй1его мультивибратора ТзТ, на выходе которого генерируется прямоугольный импульс, задержанный относительно импульса DBX на величину длительности импульса ждущего мультивибратора TfTa. Регулируя ширину импульса ждущего мультивибратора TiT2, можно получить любую задержку фиг.б..

Одновибратор& (фиг. 1) содержит ждущий мультивибратор TiTa (фиг.7). Запускающий остроконечный импульс UBX вызывает появление на выходе ждущего мультивибратора широкого импульса Овых.

Блок включения 8 (фиг.1) содержит кнопку и тросик (фиг.9). Они укреплены на основании и сверху прижимаются прижимной планкой, используемой в качестве кнопки КН. При нажатии кнопки КН происходит одновременное срабатывание кнопки и тросика. С выхода кнопки снимается остроконечныйимпульс за счет дифференцирования дифцепочкой PiCi (фиг.Эа). Нажатие на тросик приводит к срабатыванию затвора фотоаппарата 14. Таким образом, при нажатии кнопки КН происходит срабатывание затвора фотоаппарата и запуск блоков 1, 9 и 13. Качественное получение изображения на экране осциллографа получается за счет упреждающего начала движения луча осциллографа по отношению к появлению регистрируемого биопотенциала. Качественная регистрация биопотенциала на регистрирующем приборе 12 получается за счет того, что скорость движения ленты уже установилась постоянной и

после этого уже регистрируется биопотенциал. Следовательно, качество регистрируемого процесса получается высоким. Схема проведения эксперимента показана на фиг. ТО. Контроль тока поляризации осуществляется микроамперметром мА.

Эффект от применения устройства для исследования центральной нервной системы состоит в том, что применение предлага0 емого устройства значительно повышает качество регистрации сложных биопотенциалов центральной нервной системы. За счет отодвигания яркого пятна в начале развертки от регистрируемого изображения по5 следнее регистрируется четко, а за счет установления постоянства скорости движения ленты также происходит качественная регистрация биопотенциала на бумажной ленте. Использование для селективной бло0 кировки нужных нервных волокон поляризующего видеоимпульса специальной формы позволяет осуществить обратимые процессы в нерве и не травмировать нерв. Это очень важно, т.к. можно сколько угодно 6т5 ключать нужные нервные волокна методом поляризаций видеоимпульсом, а нерв не будет атрофироваться. Кроме того, поляризация видеоимпульсом специальной формы не повреждает нерв. Наличие строго дози0 рованной кодовой комбинации в раздражающей серии видеоимпульсов и постоянство кода при многократном нанесении раздражения позволяет с высоким качеством производить исследования механизмов

5 кодирования центральной нервной системы. Известно, что в ЦНС широко используется кодирование и многократное перекодирование информации не только за счет нейронных разрядов, но и за счет рабо0 ты механизмов автоматического регулирования. Механизмы автоматического управления являются сложными и состоят из механизмов торможения и растормажи- вания, оказывающих противоположный эф5 фект. Чтобы исследовать кодирование как тормозных, так и растормаживающих механизмов, необходимо отключить одни механизмы с помощью предлагаемого видеоимпульса специальной формы и в это

0 же самое время произвести исследование других механизмов отдельно, без маскирующего влияния первых механизмов. С этой целью в предлагаемом устройстве есть канал поляризации и канал раздражения с не5 обходимыми кодовыми комбинациями. Можно работать только на одном нерве, например, подколенном и производить сначала поляризацию, а затем нанесение на этот же нерв раздражений в виде кода. При этом на поверхности спинного мозга регистрируется рефлекторная реакция на раздражение нерва в виде потенциала дорзальной поверхности, которые также регистрируются в кодированном виде. Но вид кода несколько отличается за счет его перекодирования механизмами автоматического регулирования спинного мозга. Поэтому представляется возможным изучить эти механизмы кодирования и перекодирования. Устройство позволяет раздельно изучить механизмы торможения и растормаживания путем раздельной активации высокопороговых и низ-, копороговых нервов за счет поляризации и тем самым в отдельности исследовать эти механизмы.

Формула изобретения 1. Устройство для исследования центральной нервной системы, содержащее последовательно соединенные отводящие электроды и усилитель биотоков, регистрирующий прибор и осциллограф, одни входы которых подключены к выходу усилителя биотоков, раздражающие электроды и блок включения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения достоверности регистрации биопотенциалов путем запаздывания нанесения раздражения относительно регистрации биопотенциалов, оно содержит tli

0

5

0

5

0

следовательно соединенные одновибратор, усилитель мощности и реле, выход которого подключен к другому входу регистрирующего прибора, поляризующие электроды, блок задержки и электростимуляционно-блоки- ровочный блок, вход которого подключен к выходу блока задержки, а выходы - к раздражающим и поляризующим электродам, зеркальный фотоаппарат, подключенный к второму входу осциллографа, причем выходы блока включения соединены с входами блока задержки, одновибратора и третьим входом осциллографа.

t фиг. I.

х 8Вк ycsfjj.wejn бнотото

i

9ВJ

кнвтвй КН

« фотоаппврету .