СПОСОБ ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯЦИИ И ПРИБОР ДЛЯ ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯЦИИ
ELECTROSTIMULATION METHOD AND DEVICE FOR ELECTROSTIMULATION

[0001] Настоящее изобретение относится к способу и прибору для электростимуляции по меньшей мере одной группы мышц, ответственных за выполнение сложного движения.
[0002] Предлагаемые способ и прибор для электростимуляции направлены на устранение проблем со стороны нервно-мышечной системы, поддержание здоровья у пожилых людей и электрофизиологическую тренировку с целью спортивной тренировки высокого уровня.
[0003] В частности, способ и прибор электростимуляции используются для следующего:
[0004] - лечение нервно-мышечных заболеваний, повреждений спинного мозга, а также периферической и центральной нервной системы в фазе восстановления вследствие потери функций, в том числе после инсульта;
[0005] - лечение всех возможных послеоперационных корригирующих ортопедических случаев;
[0006) - функциональная коррекция при проблемах, связанных с двигательной системой и пожилым возрастом;
[0007] - специализированная спортивная подготовка высокого уровня, с целью тренировки на скорость и выносливость;
[0008] - профилактика нервно-мышечных травм путем специальной подготовки;
[0009] - функциональный мониторинг во время тренировки.
[0010] Человеческое тело, а точнее нервно-мышечная система, является очень сложным и сочленённым, но функционирует и подчиняется закону электрической передачи. По сути, нервные импульсы проходят и используют разницу в электрическом потенциале в качестве основного средства коммуникации.
[0011] Когда нервная система, головной или спинной мозг получает повреждение механическим путем в результате несчастного случая или вследствие удара, автоматически начинают работать защитные механизмы типа спинального шока, чтобы защитить поврежденные локальные структуры, они стремятся уменьшить площадь повреждения, и в то же время изолировать пораженные структуры от любого центрального управления.
[0012] Следуя естественному принципу, согласно которому любой организм стремится к меньшему потреблению энергии, поврежденная часть, так сказать, отключается, тем самым лишая человека контроля над органами и частями тела, которые человек в нормальном состоянии сознательно контролировал до происшествия.
[0013] Случаи, когда активно происходит самопроизвольное выздоровление, редки; гораздо чаще возникают ситуации, когда после травмы ситуация не меняется, оставаясь в лучшем случае стабильной.
[0014] Очевидно, такое отсутствие улучшения отчасти связано с тяжестью травмы, а отчасти с несоответствием и неэффективностью применяемых в настоящее время реабилитационных методов лечения.
[0015] Что касается спортивных тренировок, то хорошо известно, что современный спорт, ориентированный на достижение максимальных результатов, требует проведения спортивных тренировок на все более высоком уровне. От спортсменов требуется посвящать не менее 6-8 часов в день интенсивным тренировкам, в том числе не менее 2 часов совершенствованию техники и увеличению силы. Такая тренировка заставляет спортсмена задействовать весь свой умственный и физический потенциал. Конечно, не многие спортсмены способны выполнять такие требования, и большинство из тех, кто хочет посвятить себя профессиональному спорту, не достигают желаемых результатов, поскольку их спортивная подготовка не отвечает необходимым требованиям.
[0016] В большинстве случаев основными параметрами оценки спортивных результатов являются сила, скорость, выносливость и устойчивость повторения спортивного движения.
[0017] Приведенные выше качества развиваются в различных видах спорта во время тренировок спортсмена.
[0018] Такая подготовка обычно основана на упражнениях, повторяющихся во времени, выполняемых последовательно различными группами мышц, посредством междисциплинарных подходов.
[0019] Однообразие этого вида тренировок, направленных на увеличение силы, в основном характеризуется использованием оборудования для тяжелой атлетики. Однако такой подход быстро вызывает усталость, замедляет восстановление и снижает мотивацию, необходимую для поддержания спортивного духа спортсмена.
[0020] В сущности, уже известны и применяются функциональные инструменты электростимуляции, известные как ФЭС (функциональная электростимуляция). Однако их использование основано главным образом на пассивном применении электростимуляции, которая не позволяет направить действие на периферическую нервную систему.
[0021] Тем не менее, согласно заявителю, необходимо обеспечить электрическую стимуляцию, распознаваемую нервной системой как аналогичную сигналу, который обычно используется нашим телом для осуществления движения.
[0022] В частности, пассивная электростимуляция, то есть без движения, не является физиологической, поскольку она вызывает информационное несоответствие между сенсорной системой, которая контролирует сокращение мышц.
[0023] Во время такой пассивной электростимуляции возникает несоответствие между информацией, предоставляемой мышечными рецепторами, и информацией, предоставляемой проприоцептивными рецепторами суставов.
[0024] Также, из-за неадекватных электрических стимулов, которые не учитывают параметры работы нервно-мышечной системы, биохимические запасы ацетилхолина истощаются, и процессы активации мышечных волокон нарушаются на уровне концевой пластинки.
[0025] Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ и прибор для электростимуляции, способные преодолеть вышеупомянутые ограничения способов электростимуляции в соответствии с известным уровнем техники и, в частности, способные генерировать сигналы электростимуляции, распознаваемые нервной системой как аналогичные сигналам, обычно используемым нашим телом для осуществления движения.
[0026] Указанная цель достигается посредством способа электростимуляции по п.1 и с помощью прибора электростимуляции по п.12. В зависимых пунктах формулы изобретения представлены предпочтительные варианты осуществления изобретения.
[0027] Тем не менее, особенности и преимущества способа и прибора электростимуляции в соответствии с изобретением станут очевидными из приведенного ниже описания их предпочтительных вариантов осуществления, представленных в качестве иллюстративных и неограничивающих примеров, со ссылками на прилагаемые рисунки (фигуры), в которых:
[0028] - на фиг.1 показан пример биполярного импульса, используемого для электростимуляции;
[0029] - на фиг.2 показаны два примера импульсных пакетов;
[0030] - на фиг.3 показаны последовательности импульсных пакетов из шестнадцати используемых каналов электростимуляции, для цикла программы электростимуляции;
[0031] - на фиг.4 показано применение шестнадцати пар электродов для одинакового количества групп мышц в организме человека;
[0032] - на фигурах 5, 5а и 5б приведены таблицы, которые представляют для каждого из шестнадцати каналов электростимуляции последовательность стимуляции программы тренировки, включающей ходьбу, бег и приседания, соответственно;
[0033] - на фиг.6 показаны пары электродов, применяемых к группам мышц, участвующих в программе тренировки «ходьба», в двух фазах двигательного действия;
[0034] - на фиг.7 представлен вид спереди прибора электростимуляции в соответствии с изобретением;
[0035] - на фиг. 8 показаны платы питания, подключенные к соединительной плате;
[0036] - на фиг.9 представлен пользовательский интерфейс; а также
[0037] - на фиг.10 показана блок-схема блока управления микропроцессора.
[0038] В основе настоящего изобретения лежит гипотеза о том, что при повторении движений достигается оптимизация последовательных механизмов управления вплоть до (автоматизированного) сегментарного уровня. Эта система управления движением обеспечивает максимальную эффективность при минимальных затратах энергии для выполнения двигательных задач с максимальной скоростью и точностью.
[0039] В предпочтительном варианте осуществления программа движения, выполняемая посредством способа электростимуляции в соответствии с изобретением, обеспечивает синхронизированную электростимуляцию мышц, которые тем временем выполняют запрограммированное циклическое движение. Программы создаются на основе полимиографической структуры движения, где каждая мышца активируется в определенный момент.
[0040] В частности, в качестве основы для создания программ электростимуляции, которые реализуют способ в соответствии с изобретением, были рассмотрены биомеханические и полимиографические характеристики здоровых спортсменов с высокими спортивными способностями при выполнении определенных упражнений. Миографическая запись каждого упражнения выполнялась с использованием современных 16-канальных миографических систем с последующей всесторонней обработкой анализа записанных данных.
[0041] Следовательно, все программы электростимуляции, созданные для синхронизированного движения групп мышц, необходимых для выполнения сложных движений, соответствуют физиологическим и биомеханическим моделям этих упражнений.
[0042] Преимущество предлагаемого способа электростимуляции состоит в том, что оно позволяет воспроизводить с помощью специальных программ стимуляции наиболее важные циклические движения, такие как ходьба, бег, прыжки, наклоны и т.д.
[0043] Движения могут выполняться в любом ритме, например, с частотой от 0,2 до 10 секунд.
[0044] Предложенный способ позволяет проводить электростимуляцию в момент сокращения, специфического для мышцы, выполняющей запрограммированную функцию. Таким образом, метод электростимуляции может рассматриваться как «физиологический», то есть распознаваемый нервной системой как подобный сигналам, обычно используемым нашим телом для осуществления движения.
[0045] Во время тренировки не только увеличивается сокращение мышц; в то же время активируется соответствующая сенсорная система. Это имеет большое значение, поскольку в случае несоответствия координации между электрическим воздействием и нейронным программированием двигательного нейрона нормальная функция системы двигательного нейрона может быть нарушена, включая афферентную информацию вплоть до коры головного мозга. Другими словами, созданные межнейронные связи также могут быть нарушены при изучении нового движения. Эта негативная ситуация характерна для уже существующих электростимуляторов, в которых не соблюдаются основные физиологические правила.
[0046] В связи с этим следует отметить, что в памяти человеческого мозга нет стереотипов движений, а вместо этого алгоритмы управления движениями выполнены с возможностью для получения в реальном времени желаемого результата с рациональным использованием иерархически подчиненной нервно-мышечной системы.
[0047] Изобретение основано на концепции, согласно которой циклическое повторение движения оптимизирует и автоматизирует механизмы управления движением на сегментарном уровне. Это, в свою очередь, обеспечивает максимальную эффективность и минимальное потребление энергии для решения двигательных задач с максимальной скоростью и точностью.
[0048] Каждая группа мышц в теле иннервируется, и двигательные нейроны, ответственные за сокращение, проявляются в спинном мозге. Правая половина тела иннервируется соответствующими двигательными нейронами, как и левая; сенсорная система стимулирует работу соответствующих групп мышц, передает информацию в режиме реального времени в соответствии с подчиненностью (иерархией) в отношении анализа, выполняемого мозгом на корковом уровне и спинным мозгом на сегментарном и исполнительном уровне, который отвечает за сокращение мышц.
[0049] Иными словами, предлагаемый способ электростимуляции предусматривает осуществление электростимуляции во время самого движения, а не генерирует движение.
[0050] Путем сочетания этого типа электростимуляции с полным набором упражнений и повторяющихся циклически физических движений, вы получаете правильную комбинацию для обеспечения нервной системы соответствующими стимулами для восстановления функции.
[0051] Особенно в случае стимуляции мышц спортсмена для улучшения его работоспособности, учитывая, что спортсмен во время выполнения заданной программы может быть не в состоянии соответствовать или продолжить соответствовать своему собственному ритму или мышечной активности в ритме электростимуляции программы электростимуляции, согласно аспекту изобретения, предоставляется возможность автоматически изменять, то есть без прерывания стимулирующего упражнения, ритм электростимуляции таким же образом, что и у субъекта, проходящего стимулирующее лечение.
[0052] Для этой цели предусмотрена сенсорная система отслеживания, которая автоматически регулирует и синхронизирует цикл электростимуляции с реальными режимами сокращения мышц.
[0053] Использование такого адаптивного режима функциональной электростимуляции особенно благоприятно не только при длительной тренировке нервно-мышечной системы, но также и при реабилитации, поскольку резонансная связь помогает воссоздать синаптические связи между интернейронами и двигательными нейронами, создающими условия для восстановления утраченных функций.
[0054] В соответствии с текущим уровнем знаний, у людей могут быть определены пять структурных уровней движения:
[0055] A-уровень тонуса и позы;
[0056] B-уровень синергии (согласованное сокращение мышц);
[0057] C-сенсорный уровень;
[0058] D-ментальный логический уровень (семантическая схема);
[0059] E-символическая координация корковых уровней (письмо, язык и т.д.).
[0060] Такие уровни и их сенсорная коррекция, то есть способность ориентироваться в пространстве посредством сенсорных входов, исходящих от зрения, слуха, осязания и проприоцептивного ощущения, называются «базовыми».
[0061] Более высокий уровень управления движением и его основное регулирование называется «более высоким уровнем». На более высоком уровне регулирования оценивается результат движения путем его сравнения с запланированным движением, и вносятся некоторые изменения, основанные на логических моделях предыдущего опыта, что обеспечивает также реальную способность более низкого уровня вплоть до сегментарного уровня, при наличии которого обнаруживается анатомически организованная система сенсорного контроля движения.
[0062] Каждый уровень имеет определенный набор инструментов для необходимых исправлений в предустановленных функциях.
[0063] Точнее, каждый из вышеупомянутых уровней имеет свою собственную анатомически организованную структуру, которая выполняет определенную функцию для реализации намеченной цели, а также для автоматизации выживания организма.
[0064] Каждый уровень регуляции соответствует анатомически организованной структуре, которая позволяет выполнять широкий спектр запрограммированных функций, а также, при необходимости, гарантирует доступ к связанным нервным структурам.
[0065] Каждый из этих уровней способствует определенному анатомическому образованию в центральной нервной системе, в том числе посредством своих сенсомоторных и коррекционных инструментов.
[0066] Инструменты, специфичные для сенсомоторной самокоррекции, присутствуют анатомически прежде всего на уровнях А, В и С и выполняют свои функции в соответствии с принципом биологической обратной связи на уровне интернейронов и благодаря механизму синаптической активации и торможению специализированных двигательных нейронов во взаимообратном режиме.
[0067] Информация, касающаяся коррекции, выполняемой на данном уровне, поступает через секции, принадлежащие к более высоким уровням, где она обрабатывается и перенаправляется на более низкие уровни в виде новой двигательной команды.
[0068] Разнообразие двигательной активности человека обеспечивается системой управления, которая связывает специализированные анатомические объекты с сенсорной системой.
[0069] Моторная регулирующая система организма человека была создана в процессе эволюционной адаптации в виде петли, существенной в составе центральной нервной системы человека, в соответствии с принципом многоуровневого иерархического контроля, где каждый уровень определяется его функциональной задачей, с мониторингом прогресса, активного на местном уровне и на более высоком уровне.
[0070] Предлагаемый способ электростимуляции предназначен для обеспечения функциональной электростимуляции двигательной системы человека в соответствии с функционированием анатомических и физиологических законов такой скелетно-мышечной системы.
[0071] Предлагаемый аппарат электростимуляции позволяет использовать электрические импульсы, регулируемые по мощности, длительности, частоте, полярности и запрограммированному повторению, чтобы воздействовать на нервно-мышечную систему во время движения или в изометрическом или изотоническом режиме как при выполнении упражнений, так и без совершения движения.
[0072] Предлагаемый аппарат электростимуляции оснащен широким набором параметров электрических импульсов, физиологически подходящих для правильного функционирования нервно-мышечной системы человека, с возможностью сохранения параметров стимуляции для каждой программы и для каждого пациента.
[0073] Из этого следует возможность накапливать данные, относящиеся к различным тренировочным занятиям, и, следовательно, создавать конкретную базу данных для каждой патологии и каждой специализированной тренировки, что позволяет стандартизировать метод тренировки для будущих занятий.
[0074] С помощью этих схем движения можно создать программную библиотеку программ функциональной электростимуляции, например, по 16 независимым каналам, которые также отражают статистику реабилитации различных случаев.
[0075] Библиотека программ позволяет осуществлять когерентную функциональную электростимуляцию основных групп мышц с учетом анатомических и физиологических закономерностей их одновременной работы на используемых каналах электростимуляции.
[0076] Программы электростимуляции основаны на широком круге циклических движений, включая движения, применимые к тренажерам для фитнеса и тяжелой атлетики; они разработаны на основе полимиографических, гониометрических и динамометрических обследований, проводимых у спортсменов высокого уровня, здоровых детей, подростков и пожилых людей.
[0077] Эти программы формируют правила моделей или протоколов, которые позволяют предпринять попытку реабилитации при широком спектре заболеваний нервной системы во всех случаях, когда требуется восстановить двигательные функции, а также предоставить спортсменам специализацию по скорости, силе и мощности, а также для обучения лиц, проходящих специальную подготовку (космонавтов, спецназа и т.д.).
[0078] Различные программы выбираются с учетом конкретной патологии и существующих противопоказаний.
[0079] Все программы подготовлены с учетом стимуляции физиологических моделей движений суставов нижних и верхних конечностей.
[0080] В частности, предлагаемый способ электростимуляции оказывает воздействие на верхние и нижние конечности в соответствии с физиологическими моделями их движения и также чрезвычайно важен при неврологической реабилитации при патологической синергии (инсульт).
[0081] Способ электростимуляции по меньшей мере одной группы мышц, ответственных за выполнение сложного движения, в соответствии с основным вариантом осуществления изобретения, будет описан ниже.
[0082] Способ предусматривает стимуляцию каждой мышцы каждой группы мышц, связывая с такой мышцей соответствующий канал электростимуляции прибора для электростимуляции, который будет описан далее.
[0083] Каждый канал электростимуляции выполнен с возможностью последовательной передачи на соответствующую мышцу посредством электрода или, предпочтительно, пары электродов, двухполярных (и, при определенных программах, монополярных) электрических импульсов.
[0084] В другом варианте осуществления изобретения каждый канал соединен посредством кабеля с двумя электродами, например, из проводящей резины. На поверхность каждого электрода может быть нанесен адгезивный проводящий гель, обеспечивая надежный контакт с кожей. Каждая пара электродов размещается над мышечной группой для обеспечения стимуляции отдельного рабочего канала.
[0085] Каждый канал, за исключением особых случаев, всегда используется для одной и той же группы мышц. Также, каналы, расположенные симметрично на каждой стороне тела, имеют своего функционального активного антагониста, который вызывает сокращение мышц в противофазе по отношению к циклическому движению.
[0086] Например, в случае 16 каналов, 8 являются каналами, предназначенными для групп мышц-сгибателей, а остальные 8 каналов предназначены для групп мышц-разгибателей. Следовательно, во время циклического движения для одной функциональной группы одновременно работают не более 8 каналов, выполняя полный цикл движения, заданный программой.
[0087] Программы движения (или упражнения) связаны с миографическим указанием на основные группы мышц, которые позволяют выполнять движение человека. То же самое относится и к специализированным спортивным движениям.
[0088] В частности, электростимуляция групп мышц происходит из схем движения, определенных с помощью миографических устройств.
[0089] Такой подход гарантирует миографическую регулярность для мышц при выполнении упражнений, ту же регулярность, которая лежит в основе программ движения.
[0090] Полученные таким образом программы движения собраны в каталоге программ электростимуляции в памяти аппарата функциональной электростимуляции нервно-мышечной системы.
[0091] Различные каналы работают в соответствии с указанной программой, и момент начала стимуляции для каждого канала вызывает сокращение мышцы под электродом.
[0092] У здорового человека выполнение движения в соответствии с программой, выбранной в указанном ритме (при этом эффективное сокращение мышц соответствует длительности стимула электрической мощности), приводит к увеличению числа двигательных нейронов, задействованных для активации различных моторных единиц и, следовательно, для увеличения также активированного процента от них.
[0093] Все возвратно-поступательные циклические движения также имеют свои особенности включения мышц каждой половины тела. Это также зависит от выполнения упражнений, и, следовательно, для восстановления различных движений, были выбраны характеристики модели сокращения групп мышц с использованием полимиографических параметров основных групп мышц, участвующих в движении человека.
[0094] В варианте осуществления, показанном на фиг.1, каждый биполярный электрический импульс 10 является симметричным и сбалансированным. Следовательно, каждый биполярный импульс 10 состоит из прямоугольной волны, имеющей период импульса ΔTimp, разделенный на два полупериода 10’ одинаковой длительности, один из которых имеет положительную амплитуду, а другой - отрицательную амплитуду.
[0095] Также, в зависимости от типа лечения, которое должно проводиться для данной мышцы, первый полупериод может быть положительным, а второй - отрицательным или наоборот.
[0096] Таким образом, прибор для электростимуляции в соответствии с настоящим изобретением позволяет выбирать форму электрического сигнала, избирательно акцентируя воздействие на восходящие нервы (афферентные, сенсорные) или на двигательные нервы (эфферентные), таким образом, предлагая дополнительные возможности для специализированных спортивных тренировок, а также для лечения любой двигательной дисфункции.
[0097] Точнее говоря, когда требуется программа с выбором афферентной электростимуляции, генерируются биполярные электрические импульсы, в которых первый полупериод имеет отрицательную амплитуду. Таким образом, волны возбуждения распространяются в сторону мозга.
[0098] Когда требуется программа с выбором эфферентной электростимуляции, генерируются биполярные электрические импульсы, в которых первый полупериод имеет положительную амплитуду. Таким образом, волна возбуждения, генерируемая первым стимулом, будет направлена в нисходящем (эфферентном) направлении к мышцам.
[0099] Для всех каналов электростимуляции «C» устанавливается одинаковое время цикла ΔTseq (фигура 3), которое определяет повторяемый период стимуляции «P». В течение каждого периода стимуляции P каждый канал C выполняет свою собственную последовательность стимуляции. Следовательно, лечение электростимуляцией проводится путем повторения, в течение предварительно установленного времени тренировки, с N периодов стимуляции и, следовательно, N равных последовательностей стимуляции.
[00100] Каждый период стимуляции P делится на два полупериода T1, T2 одинаковой продолжительности.
[00101] Также, каждый полупериод делится на множество под-интервалов «SI» равной длительности.
[00102] По меньшей мере, один из таких под-интервалов SI представляет собой под-интервал стимуляции, в котором выполняется базовая последовательность импульсов, содержащая один или несколько пакетов импульсов 12.
[00103] В свою очередь, каждый пакет импульсов 12 задается заранее определенной последовательностью отдельных биполярных электрических импульсов 10.
[00104] Например, на фиг.2 показаны два пакета импульсов 12, 12’: сверху - пакет импульсов 12, который группирует 4 биполярных импульса 10; внизу, пакет импульсов 12’, который группирует 16 биполярных импульсов 10.
[00105] Следовательно, в зависимости от типа лечения, которое должно быть выполнено для группы мышц, и/или в зависимости от типа группы мышц, определяется следующее:
[00106] - продолжительность каждого под-интервала;
[00107] - количество импульсов в каждом пакете импульсов;
[00108] - частота Fpacc импульсных пакетов, то есть время, которое должно пройти между одним пакетом импульсов и следующим пакетом импульсов;
[00109] - амплитуда и длительность каждого импульса.
[00110] Подразделение периода стимуляции ΔTseq на множество подинтервалов SI длительностью ΔTn, равных друг другу и равных для всех каналов, позволяет синхронизировать все каналы.
[00111] Также, как объяснено выше, каждый период P стимуляции длительностью ΔTseq каждого канала имеет полупериод Toff, в котором отсутствуют основные последовательности импульсов, и другой полупериод Ton, по меньшей мере, с одним под-интервалом стимуляции.
[00112] Следует отметить, что форма биполярного импульса с одинаковым количеством электрического заряда в каждом полупериоде используется для предотвращения гальванического разрушения кабелей и электродов. Также, таким образом ионы не перераспределяются в ткани человека. В случае монополярной формы под поляризованными электродами может происходить накопление кислот и щелочей.
[00113] Таким образом, последовательность стимуляции в каждом периоде стимуляции задается одной или одним повторением нескольких базовых последовательностей импульсов, причем каждая базовая последовательность задается одним или одним повторением нескольких пакетов импульсов.
[00114] В другом варианте осуществления изобретения количество пакетов импульсов и количество импульсов каждого пакета импульсов в каждом под-интервале стимуляции являются одинаковыми для всех каналов.
[00115] В другом варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.3 для 16 каналов, количество и/или распределение во времени под-интервалов стимуляции периода стимуляции одного канала отличается от количества и/или временного распределения под-интервалов стимуляции по меньшей мере одного другого канала.
[00116] Как ожидалось ранее, полученное циклическое движение выполняется с участием большого количества мышц, которые работают в запрограммированной последовательности. Были выбраны основные группы мышц и определена клиническая электромиография режимов их циклической тренировки для всех основных типов движений человека.
[00117] С помощью этих схем движения была создана библиотека функциональных программ электростимуляции по 16 независимым каналам.
[00118] Каждая группа мышц, участвующих в движении, стимулируется в соответствующий момент в течение времени цикла, в зависимости от ее функции, периода и типа движения.
[00119] Продолжительность электростимуляции для каждой мышцы соответствует миографическому периоду активности мышцы и зависит от типа движения и ритма выполнения.
[00120] Поскольку для каждой программы степень участия каждой группы мышц может быть различной, В другом варианте осуществления изобретения продолжительность электростимуляции в каждом канале строго индивидуальна. Амплитуда электрического сигнала выбирается индивидуально для каждого канала, при этом она применяется, пока мышца не начнет сокращаться без боли.
[00121] При патологии, в том числе в случаях полного отсутствия мышечной активности, используются специальные программы функциональной электростимуляции, соответствующие специфике случая. Однако, базовая эталонная модель всегда остается физиологической.
[00122] Это методологическое решение позволяет активировать и строить динамику, чтобы вернуть патологическую систему в правильное физиологическое направление.
[00123] Предпочтительно, чтобы интервалы стимуляции были последовательными, если период стимуляции имеет более одного под-интервала стимуляции.
[00124] В другом варианте осуществления изобретения амплитуда импульсов одного канала отличается от амплитуды импульсов, по меньшей мере, одного другого канала.
[00125] Фактически, различные части тела имеют разные уровни чувствительности и разное количество хорошо распределенных, чувствительных нервных окончаний (сенсоров).
[00126] Каждый сенсор имеет строго определенную цель: информировать нервный центр обо всех изменениях процессов. Большая часть сенсорной системы находится в чувствительных нейронах ганглиев спинного мозга, которые передают информацию на уровне позвоночника сегмента, где она передается в соответствующие центры, включая систему движений. Результаты комплексной оптимизации и коррекции этого уровня позвоночника передаются через афферентные пути спинного мозга в двигательные центры и головной мозг.
[00127] Для обеспечения надлежащих нервно-мышечных функций необходимо учитывать, что амплитуда сигнала изменяется в зависимости от стимулированной мышечной чувствительности. В частности, на мускулатуре верхней половины тела амплитуда сигнала для активации меньше, чем это необходимо для нижних конечностей.
[00128] По этой причине при настройке различных режимов интенсивности стимуляции амплитуда сигнала предоставляется в каждом канале для обеспечения сокращения мышц без боли для пациента.
[00129] Когда патология нарушает чувствительность нервно-мышечной системы, такая чувствительность может значительно различаться между левой и правой половиной тела (например, в случаях гемипареза).
[00130] В другом варианте осуществления изобретения амплитуда первого импульса или последнего импульса последовательности стимуляции канала значительно больше, чем амплитуда оставшихся импульсов. Таким образом, мышцы, стимулируемые этим каналом, подготавливаются для последующей стимуляции.
[00131] В другом варианте осуществления изобретения сенсорная стимуляция связана с электрической стимуляцией мышц, например, в форме светового и/или акустического сигнала.
[00132] Как указано выше, электростимуляция происходит в соответствии с предварительно установленной программой, которая сопровождает известные циклические движения, выполняемые в указанном ритме. Любое движение всегда начинается с сокращения определенных групп мышц; группа, которая должна начать двигаться первой, стимулируется каналом, который называется «ведущий» канал.
[00133] В каждой программе функциональной электростимуляции, хранящейся в памяти прибора электростимуляции, выделяется ведущий канал, который первый посылает электростимул в основную группу мышц. С сокращения этой мышцы начинается движение группы.
[00134] В другом варианте осуществления изобретения ведущий канал соединен со звуковым и/или визуальным сигналом, который действует одновременно с началом цикла группы мышц.
[00135] Пациент начинает движение по программе одновременно со звуковым и/или визуальным сигналом. Фактически в упражнении головной мозг субъекта взаимодействует со звуковым и/или визуальным сигналом ведущего канала для выполнения упражнения основной группы мышц в соответствии с программой, таким образом обеспечивая синхронизацию каждого повторяющегося цикла.
[00136] Такое устройство позволяет координировать выполнение двигательного действия в соответствии с программой электростимуляции вместе с активацией центров управления движением коры головного мозга, обеспечивая активацию необходимых биохимических процессов нейромедиации и централизованную оптимизацию управления движением.
[00137] Это выражается в увеличении скорости возбуждения по нервным волокнам, в организации межнейронной системы на сегментарном уровне, в вегетативном поддержании всех этих связей за счет суммирования и автоматизации эффектов с повторением двигательного действие по программе, в которой участвует вся центральная нервная система.
[00138] В другом варианте осуществления изобретения ведущий канал, с которым связано излучение акустического и/или визуального сигнала, является каналом электростимуляции группы мышц, считающейся более важной в выполнении сложного движения или которой более требуется стимуляция, и которые не обязательно совпадают с каналом, который инициирует каждый цикл электростимуляции.
[00139] Следовательно, в предпочтительном варианте осуществления изобретения для каждой программы, касающейся типа движения, определяется ведущий канал, который представляет стимуляцию группы мышц, которая активируется первой (или, как упоминалось выше, самой важной группы мышц) во время цикла движения. После активации ведущего канала для завершения всего цикла движения активируются оставшиеся каналы/группы мышц, задействованные для выполнения двигательного акта. Следующий цикл начинается снова с той же последовательностью активации канала.
[00140] Каждому из каналов электростимуляции назначается конкретная и заранее определенная группа мышц. Например, если программа движения A начинается с активации правого бицепса бедра, такой канал № 1, связанный с такой группой мышц, становится ведущим каналом. По мере изменения программ/циклов движения соответственно будет меняться номер ведущего канала. Эта схема объединения различных групп мышц каждой программы с соответствующими каналами электростимуляции позволяет, среди прочего, организовать и упростить математические алгоритмы программного обеспечения для управления аппаратом электростимуляции. Это особенно важно для автоматической синхронизации электростимуляции групп мышц, задействованной в цикле тренировки при изменении ритма движения.
[00141] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, чтобы гарантировать синхронизацию электростимуляции с фактической мышечной активностью во время упражнений, предусмотрена система мониторинга на основе датчиков, которая определяет эффективную продолжительность цикла движения, выполняемого пациентом или спортсменом.
[00142] Например, используются датчики, которые выдают сигнал «ВКЛ-ВЫКЛ», который указывает на изменение положения конечности или части конечности. Затем такие датчики располагаются в точках, подходящих для считывания изменения положения, например, под пяткой, на локте, на колене.
[00143] Например, в случае датчика, размещенного под пяткой, продолжительность цикла начинает записываться, когда эта пятка касается земли в первый раз, пока не коснется в следующий раз, что указывает на окончание цикла.
[00144] В некоторых вариантах осуществления выполняется двойное измерение, которое обеспечивает среднее значение времени цикла.
[00145] Датчик локтевой кости, расположенный на локте, или датчик, расположенный на колене, измеряющий изменение угла изгиба, неоднократно заменяется.
[00146] В случае несоответствия между заданным временем цикла программы электростимуляции, установленным вручную, и фактическим временем цикла, обеспечиваемым измерениями, выполненными одним или несколькими датчиками, метод электростимуляции обеспечивает регулировку времени цикла по всем каналам в целях его адаптации к измеренному времени цикла.
[00147] Например, функция измеренного времени цикла, длительность каждого под-интервала Si, как определено выше, пересчитывается и сбрасывается.
[00148] Далее будут описаны примеры программы электростимуляции со ссылкой на фигуры 4-6.
[00149] На фиг.4 показано расположение на теле пациента 16 каналов, каждый из которых содержит пару электродов 30. Как было объяснено выше, каждый канал, который стимулирует группу мышц, например группу мышц-сгибателей, соответствует симметричному каналу, который стимулирует функциональную группу мышц-антагонистов, например группу мышц-разгибателей, которая вызывает сокращение мышцы в противофазе в отношении циклического движения.
[00150] Программа тренировки функциональной электростимуляции, показанной на фиг.5, относится к движению при ходьбе.
[00151] Полный период цикла функциональной электростимуляции представлен на графиках рисунков 5, 5a и 5б, для ходьбы, бега и приседаний, соответственно. В левой части схемы обозначены 16 групп мышц, стимулированных 16 соответствующими каналами. Две центральные колонки показывают рабочую диаграмму для каждого канала во время полного цикла движения. Последняя колонка справа представляет первые десять под-интервалов нового цикла.
[00152] Полный период цикла делится на 32 этапа. Каждая фаза цикла составляет 1/32 периода.
[00153] Период может варьироваться от 0,2 до 10 секунд. Каждый цикл повторения всегда начинается с одной и той же группы мышц. Весь цикл движения делится на две части.
[00154] Например, в случае ходьбы (рисунок 5) ведущим каналом, с которым связан звуковой или визуальный сигнал, является тот, который определяет начало движения правой ноги. Последовательно вторая половина цикла, определяемая движением левой ноги, начинается с достижением фазы 32.
[00155] Точнее говоря, каждый цикл движения для простоты делится на определенное количество под-интервалов (например, 32). Для каждой программы возможно сопряжение с одним из 16 электрических каналов (в основной группе для этого типа программы) вышеупомянутого звукового сигнала.
[00156] Руки следуют за динамикой ходьбы, с соответствующим возвратно-поступательным движением.
[00157] Далее, со ссылкой на фигуры 7-10, будет описан практический пример устройства 50, способного осуществлять способ электростимуляции, описанный выше.
[00158] Устройство содержит раму 100, которая поддерживает восемь двухканальных плат  питания 102, соединительную плату 104 для соединения плат питания 102, блок электронной обработки 106 и пользовательский интерфейс 108.
[00159] Например, устройство 50 питается от универсального источника питания (85 - 264 В переменного тока на входе), одобренного для электромедицинского сектора (Сертификация ИТ и медицинской безопасности (Класс I и II)).
[00160] В другом варианте осуществления изобретения ток каждого канала управляется и способен выдавать максимальный ток 150 мА при номинальной нагрузке 1 кОм (поэтому для каждого канала максимальное напряжение составляет 150 В).
[00161] В другом варианте осуществления изобретения пользовательский интерфейс 108, показанный на фиг.9, содержит 8-цветной тонкоплёночный дисплей 110, множество сигнальных светодиодов 112 и множество кнопок 114, функции которых будут приведены ниже.
[00162] Блок электронной обработки 106 полностью отвечает за управление пользовательским интерфейсом.
[00163] Пользовательский интерфейс 108 позволяет пользователю выполнять первый этап программирования и второй этап выполнения. На первом этапе программирования можно выбрать, какие программы будут являться частью последовательности, подлежащей выполнению (второй этап), а также соответствующие параметры для каждой программы. На втором этапе (этап выполнения) по очереди выполняются программы, выбранные на первом этапе.
[00164] Кнопки имеют следующие функции:
[00165] - кнопка START/STOP: Позволяет запустить или остановить текущую последовательность программы;
[00166] - кнопка ENTER: эта кнопка выполняет различные функции:
[00167] • нажатие менее чем на две секунды на этапе программирования сохраняет текущую программу в последовательности (тем самым выбирая ее для выполнения);
[00168] • нажатие не более двух секунд во время фазы программирования позволяет выбрать начальное направление импульсов (положительное или отрицательное), то есть афферентное или эфферентное, для всех каналов,
[00169] • нажатие на нее во время работы программы вызывает немедленный переход к следующей программе (или завершает последовательность, если текущая программа была последней).
[00170] - кнопки PROGRAM +/-: позволяют выбрать программу из библиотеки. Эти кнопки активны только на этапе программирования;
[00171] - кнопки CYCLE TIME +/-: позволяют изменять время цикла от 200 мс до 10 с с шагом 200 мс. Эти кнопки активны только на этапе программирования;
[00172] - кнопки WORK TIME +/-: позволяют изменить время тренировки (продолжительность программы). Шаг по времени составляет 1 минуту. Эти кнопки активны только на этапе программирования;
[00173] - CH. кнопки LEADER +/-: позволяют выбрать ведущий канал. Эти кнопки активны только на этапе программирования;
[00174] - кнопка SOUND: позволяет включить/отключить звук относительно ведущего канала (если он выбран);
[00175] - кнопка SENSOR: позволяет использовать внешний датчик;
[00176] - кнопки INTENSITY +/-: позволяют изменять интенсивность (амплитуду) импульсов. Эти кнопки активны только на этапе выполнения;
[00177] - кнопка PULSE TIME: позволяет выбрать длительность элементарного импульса. Эта кнопка активна только на этапе программирования;
[00178] - кнопка FREQUENCY: позволяет выбрать частоту повторения импульсных пакетов. Эта кнопка активна только на этапе программирования;
[00179] - кнопка MONO: позволяет использовать только монополярные или биполярные импульсы только для ведущего канала. Эта кнопка активна только на этапе программирования;
[00180] - кнопка +/-: в случае монополярных импульсов для ведущего канала она позволяет указать, являются ли импульсы положительными или отрицательными. Эта кнопка активна только на этапе программирования;
[00181] Что касается использования по меньшей мере одного внешнего датчика 123, как было упомянуто выше, все циклические движения повторяются с заранее определенной частотой. Время цикла измеряется в секундах. Естественно, чем короче цикл, тем быстрее движение и наоборот.
[00182] Для измерения времени цикла движения может быть удобно использование датчика, связанного с движением. Например, можно использовать датчик для пятки, расположенный в стельке обуви пациента. Такой датчик выявляет совершение шага.
[00183] В другом варианте осуществления может использоваться гониометрический датчик, который измеряет изменения пикового угла в суставе, или датчик положения.
[00184] В случае изменения ритма (замедления от усталости или ускорения), то есть, когда ритм движения пациента изменяется относительно заранее установленной частоты электростимуляции, активируется автоматическая коррекция времени цикла стимуляции на основе фактических данных, полученных от датчика или датчиков.
[00185] Каждый внешний датчик подает электрический сигнал на блок электронной обработки 106 через соответствующую электронную систему кондиционирования, например цифровой сигнал ON/OFF, используемый блоком электронной обработки для пересчета и сброса времени цикла программы электростимуляции.
[00186] На фиг.10 показана блок-схема блока электронной обработки 106. Этот блок электронной обработки выполнен с микроконтроллером 120, который управляет следующим:
[00187] - вход для внешнего датчика 122;
[00188] - инфракрасный вход дистанционного управления 124 для пуска/остановки удаленных программ (цифровой вход);
[00189] - зуммер 126 для управления звуком относительно ведущего канала (цифровой выход ШИМ);
[00190] - часы реального времени 128 (через интерфейс SPI);
[00191] - внешняя флэш-память 130 для хранения программ и т.д. (через интерфейс SPI);
[00192] - датчик температуры 132 (аналоговый вход);
[00193] - охлаждающий вентилятор 134 (цифровой выход);
[00194] - два цифровых выхода 136 (для силовых плат);
[00195] - ЖК-дисплей 138 (через UART);
[00196] - USB-интерфейс 140 для подключения к персональному компьютеру (через UART);
[00197] - цифровые входы и выходы для кнопок 142 (клавиатурная матрица);
[00198] - цифровые выходы 144 для светодиодов.
[00199] Каждая двухканальная силовая плата 102 способна обрабатывать два выходных канала. Для каждого канала генерируются импульсные последовательности с переменной частотой и/или интенсивностью, например, как описано далее.
[00200] Поскольку предлагаемый метод электростимуляции основан на задействовании противоположных групп мышц, каждая силовая плата контролирует два канала, которые работают последовательно.
[00201] Следует подчеркнуть, что этот выбор конструкции также используется для предотвращения возможной ошибки оператора, в частности, чтобы избежать одновременного действия и стимуляции мышц-антагонистов, которые могут вызвать нарушение в работе нейронного контура межнейронного блока на сегментарном уровне (клетка Реншоу).
[00202] В другом варианте осуществления изобретения одиночный импульс является биполярным, симметричным и сбалансированным, как показано на фиг.1.
[00203] В другом варианте осуществления изобретения максимальная ширина импульса Aimp составляет 150 В (следовательно, 300 В от полной амплитуды), и его длительность DTimp может быть выбрана из следующих значений: 100 мкс - 200 мкс (по умолчанию) - 500 мкс - 1000 мкс.
[00204] В одном рабочем режиме (режим 1) импульсы группируются в пакеты из четырех последовательных импульсов; в другом режиме работы (режим 2) импульсы группируются в пакеты по 16 последовательных импульсов.
[00205] Если допускается, что каждый импульс длится 200 мкс (по умолчанию), следовательно, в режиме 1 каждый пакет длится около 0,8 мс, а в режиме 2 каждый пакет длится около 3,2 мс.
[00206] Пакеты повторяются с выбираемой частотой Fpacc в интервале следующих значений: 50 Гц - 100 Гц - 150 Гц - 200 Гц (между одним импульсным пакетом и следующим есть время DTpacc, выбираемое между следующими значениями: 5 мс - 6,67 мс - 10 мс - 20 мс).
[00207] Естественно, пакеты могут состоять из разного количества импульсов, например 5 или 10 импульсов.
[00208] Последовательности импульсных пакетов повторяются одинаково с интервалами DTseq с переменной времени цикла DTseq от 200 мс до 10 с с шагом 200 мс. В свою очередь, каждый интервал DTseq делится на N = 20 под-интервалов DTn одинаковой длительности, как показано, например, на фиг. 3.
[00209] Более того, каждый интервал DTseq делится на два интервала (TON и TOFF) одинаковой длительности; в интервале TON есть импульсные пакеты, в то время как в интервале TOFF пакетов нет. Например, на фиг. 3 для канала № 1 время TON включает в себя под-интервалы 1-10, в то время как время TOFF включает под-интервалы 11-20. С другой стороны, для канала № 2 время TON включает в себя под-интервалы 11 20, в то время как время TOFF включает под-интервалы 1-10.
[00210] Каждый под-интервал DTn может (в зависимости от запрограммированных характеристик последовательности):
[00211] - не содержать импульсного пакета, или
[00212] - содержать последовательность импульсных пакетов (как показано на фиг. 3 в виде «полного» квадрата) с характеристиками, описанными выше.
[00213] В другом варианте осуществления изобретения характеристики пакетов (количество импульсов на пакет, временной интервал между одним пакетом и следующим) и интервал DTseq одинаковы для всех каналов, в то время как амплитуда у разных каналов может варьироваться.
[00214] Например, DTseq = 1 с => DTn = 1000 мс/20 = 50 мс. Исходя из предположения, что каждый импульс длится 200 мкс (по умолчанию), используется режим 2 (16 импульсов => 3,2 мс) и что DTpacc = 10 мс, каждый под-интервал DTn, в котором присутствуют импульсы, будет содержать четыре пакета.
[00215] В случае, когда пакет приходится на два последовательных под-интервала DTk и DTk+1, где под-интервал DTk+1 не содержит пакетов, сам пакет в конце DTk сокращается. Если, с другой стороны, под-интервал DTk+1 также содержит пакеты, пакет продолжается в этом втором под-интервале.
[00216] Поэтому каждая программа полностью определяется следующими параметрами:
[00217] - импульсные пакеты для каждого канала с под-интервалами;
[00218] - время цикла;
[00219] - время тренировки;
[00220] - длительность элементарного импульса;
[00221] - количество импульсов на пакет;
[00222] - ведущий канал (если имеется) и характеристики импульсов такого канала (монополярный или биполярный);
[00223] - направление импульсов (афферентное или эфферентное);
[00224] - частота импульсных пакетов.
[00225] Следует отметить, что во время работы программы время цикла и амплитуда импульса могут изменяться.
[00226] Процедура электростимуляции выполняется в рабочем режиме следующим образом:
[00227] 1. выбирают программу с помощью кнопок PROGRAM +/-;
[00228] 2. выбирают параметры для выбранной программы;
[00229] 3. нажимают кнопку ENTER для подтверждения; затем добавляют выбранную программу (ставится в очередь) к последовательности программ, которые должны быть выполнены;
[00230] 4. этапы с 1 по 3 повторяются для каждой программы, которую нужно добавить в последовательность;
[00231] 5. последовательность выбранных программ запускают кнопкой START или дистанционным управлением;
[00232] 6. если возникает желание закончить всю последовательность преждевременно, нажимают кнопку STOP; если вместо этого во время выполнения последовательности требуется прервать выполнение текущей программы, чтобы перейти к следующей программе, нажимают кнопку ENTER.
[00233] Подводя итог, следует отметить, что предлагаемые способ и прибор электростимуляции основаны на синхронной электромиостимуляции основных групп мышц тела в ходе циклических движений, то есть повторяемых с учетом физиологических моделей выполняемых движений человека.
[00234] Другими словами, момент активации электрического стимула, посылаемого группе мышц с указанной частотой, совпадает с произвольной физической активностью, которую пациент выполняет в данный момент.
[00235] Следовательно, мышечные волокна активируются, поддерживая и усиливая функции сенсорной системы на уровне позвоночника, помогая контролировать выполнение каждого цикла движения и активировать необходимые двигательные нейроны.
[00236] В случаях, когда электростимуляция мышц не синхронизирована с движением, как это происходит в современных устройствах электростимуляции, возможно, наоборот, возникновение отрицательного воздействия, поскольку сенсорная система на уровне позвоночника может принудительно навязать режим работы, который не соответствует его функциональности.
[00237] Особенно важно это учитывать во время занятий для реабилитации при различных формах патологии и травмах с потерей чувствительности.
[00238] Следовательно, пациент получает тренировку сегментарной системы позвоночника, отвечающей за скоординированное и синхронизированное мышечное сокращение, которая является более точной и быстрой в коррекции движений и в рациональном управлении движением вплоть до сегментарного уровня.
[00239] Предложенные способ и прибор электростимуляции способны тренировать нервно-мышечную систему для получения уровня и скорости реакции, которые не могут быть достигнуты посредством способов стимуляции уровня техники. В частности, достигается увеличение скорости, выносливости и спортивных результатов при уменьшении выраженности мышечных травм, которые становятся более предсказуемыми и контролируемыми.
[00240] Предложенный метод электростимуляции, основанный на физиологических моделях нервно-мышечной системы человека, позволяет оптимизировать процесс сокращения мышц, а точнее:
[00241] - увеличить взрывную силу мышечного сокращения за счет электрической активации высокопороговых двигательных единиц. Если во время максимального сокращения человеческой мышцы активируется не более 70% мышечных волокон, то в комбинации с электростимуляцией в соответствии с изобретением количество одновременно активированных мышечных волокон может приближаться к 100%. Такая активация значительно улучшает мышечную силу;
[00242] - увеличить синхронизацию сенсорной системы на уровне позвоночника, которая управляет контролем сокращения мышц. При дальнейшей ритмической электрической активации (как в случае с кардиостимулятором), синхронизированной с выполнением функции, сенсорная система мышц регулируется в соответствии с ритмом движения, с развитием явления резонанса, при котором информация одновременно отправляется в вышележащие нервные центры через доступные нейронные пути. Поскольку режим электрической активации учитывает физиологические характеристики на клеточном уровне, такой тип циклического функционирования нервно-мышечной связи приводит к оптимизации биохимических процессов сокращения мышц и передачи возбуждения по нервам, а также к увеличению в размере двигательных нейронов. Следовательно, происходит увеличение количества синапсов с последующим увеличением надежности синаптической передачи вследствие импринтинга режимов работы, оптимизированных на уровне клеточной памяти;
[00243] - увеличение скорости информации, которая достигает корковых центров в восходящем направлении, без блокировки защиты позвоночника, поскольку информация о выполняемой тренировке совместима с теориями и физиологическими моделями.
[00244] Для тренировки выносливости спортсменов можно проводить электростимуляцию с использованием любой программы со скоростью, приближающейся к уровню физиологического максимума. Это означает, что за 1 секунду можно выполнить 5 полных циклов движения для одной конечности (100 мс для фазы предела и 100 мс во время фазы релаксации). Естественно, что вторая ветвь взаимно обратного режима начнет то же движение во время фазы релаксации первой.
[00245] Посредством предложенного способа электростимуляции также возможно сдерживать и улучшать тяжелое и изнурительное состояние «боли в спине», при обеспечении правильной работы мышечного корсета, необходимого для хорошей осанки.
[00246] Также, можно отслеживать различные этапы спортивной тренировки посредством постоянного мониторинга жизненно важных функций пациента, что очень важно для определения во время стимуляции вида тренировок, которые следует соблюдать, и интенсивности, которую необходимо получить. [00247] В вариантах осуществления способа и прибора электростимуляции в соответствии с изобретением специалист в данной области техники может, для удовлетворения возможных потребностей, вносить модификации, адаптировать и заменять некоторые элементы, которые функционально эквивалентны, не выходя за рамки следующей формулы изобретения.  Каждый из описанных в документе признаков изобретения, как относящихся к возможному варианту его осуществления, могут быть использованы независимо от других вариантов осуществления изобретения.