Устройство безоперационного восстановления опорно-двигательной функции парализованных частей тела и стимуляции поврежденных нервных окончаний

Полезная модель относится к области медицины, а именно к нейрохирургии и может быть применена при восстановлении подвижности парализованных конечностей и стимуляции поврежденных нервных окончаний. Система содержит датчик нейронной активности головного мозга, блок управления, а также токопроводящие дорожки, нанесенные на поверхность кожи.
Известен способ для стимуляции лицевого нерва [1], система стимулирования включает в себя электрод, содержащий множество контактов, для размещения в околоушном участке лица и процессор для раздельного стимулирования каждого из множества контактов. Однако конструкция устройства не подразумевает возможность управления парализованными конечностями.
Известно нейропротекторное устройство [2], содержащее группы неинвазивных электродов, источник питания и пульт управления, позволяющее управлять парализованной конечностью. Недостатком такого устройства является невозможность его использования при обширном параличе верхней части тела, к примеру, обоих рук.
Известен протез руки управляемой с помощью электрических сигналов мозга и мышечной электроэнергии [3], устройство включает в себя множество микроэлектрических датчиков и датчики захвата электрической активности мозга, входные клеммы микроэлектрических датчиков и датчики захвата электрической активности мозга соединены с входными клеммами схемы преобразования. Метод используемый качественно позволяет применять его для управления парализованными конечностями, однако алгоритм генерирования управляющих сигналов требует дополнительно выдавать сигналы для стимуляции, что не позволит поврежденному нерву деградировать.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявленному устройству является нейромост [4], содержащий командный модуль и минимум один модуль драйвера, указанная система выполнена с возможностью реализации способа подключения поврежденной нервной системы к цели назначения, который принимаем за прототип.
К недостатку известного устройства относится отсутствие возможности стимуляции поврежденных нервных окончаний, а также внедрение имплантата операционным путем, который сложнее и дороже, и как следствие более длительная реабилитация.
Задачей полезной модели является создание устройства позволяющего восстанавливать подвижность парализованных частей тела без хирургического вмешательства, и одновременно с этим стимулировать поврежденные нервные окончания.
Техническим результатом является удешевление конструкции, отсутствие хирургического вмешательства при установке, повышение функциональности, а так же простота при эксплуатации.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для безоперационного восстановления опорно-двигателтьной функции парализованных частей тела и стимуляции поврежденных нервных окончаний, включающем центральный блок, средство съема управляющего сигнала, средство передачи управляющего сигнала согласно заявляемому техническому решению средство съема управляющего сигнала выполнено в виде внешнего ЭЭГ-модуля, а средство передачи управляющего сигнала выполнено в виде токоведущих дорожек, с выполненными на них электродами и нанесенных на поверхность кожи.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 схематическое изображение токоведущей дорожки; на фиг. 3 общий вид системы установленной на человеке; на фиг. 4 приведена зависимость глубины проникновения поля от расстояния между электродами.
На фиг. 1 приняты следующие обозначения: 1 - ЭЭГ модуль (нейрогарнитура); 2 - центральный блок; 3, 3' - токоведущие дорожки; 4 - микроконтроллер; 5 - высоковольтный коммутатор; 6 - повышающий высокочастотный преобразователь; 7 - источник питания; 8 - контактные площадки центрального блока; 9 - ответные контактные площадки токоведущих дорожек; 10 - область расположения контактных площадок центрального блока; 11 - электрическое поле; 12 - соединительный провод; 13 - парализованная часть тела.
Устройство безоперационного восстановления опорно-двигательной функции парализованных частей тела и стимуляции поврежденных нервных окончаний содержит средство съема управляющего сигнала, выполненное в виде ЭЭГ модуля 1, подключенного к центральному блоку 2 соединительным проводом 12, выполненному в виде микроконтроллера 4, высоковольных коммутаторов 5, высокочастотного преобразователя 6 и источника питания 7. Выходы центрального блока 2 выполнены в виде контактных площадок 8, выполненных с возможностью подключения ответных контактных площадок 9 токоведущих дорожек 3, являющихся средством передачи управляющего сигнала и выполненных из токопроводящего состава нанесением на парализованную часть тела 13. На токоведущих дорожках выполнены электроды (фиг. 2), представляющие собой емкость в виде группы колец с определенным зазором между ними.
Устройство работает следующим образом. ЭЭГ модуль (нейрогарнитура) 1 (фиг. 1), закрепленный на поверхности головы пациента, считывает активность альфа и бэтта частот головного мозга и передает оцифрованную информацию на микроконтроллер 4 расположенный в центральном блоке 2. Микроконтроллер 4 преобразует полученную информацию в последовательность управляющих импульсов поступающих на входы высоковольтных коммутаторов 5 и далее на токоведущие дорожки 3 посредством контактных площадок 8 и 9. Высоковольтные коммутаторы 5 запитывают от повышающего высокочастотного преобразователя 6, питание центрального блока осуществляют от источника питания 7.
Принцип передачи управляющих электрических сигналов основан на использовании свойств скин-эффекта. Высокочастотное напряжение подводят к группам мышц по токоведущим дорожкам 3, выполненным из специального токопроводящего состава, отличающегося по проводимости от человеческой кожи в большую сторону и нанесенным на кожный покров. Как известно, высокочастотный ток течет по поверхности кожи от источника хаотично, дорожки 3 ограничивают и направляют распространение электрического поля до достижения нервного узла или мышцы. В области колец электродов поле электрическое поле проникает сквозь кожный покров и оказывает электрическое воздействие на группу мышц или нервный узел.
Зависимость глубины проникновения поля Z в кожный покров имеет сложный нелинейный характер, зависимость глубины проникновения поля Z от зазора L между электродами приведена на фиг. 4. При зазоре больше критического свойство скин-эффекта не даст электрическому полю выйти за пределы некоторой области вокруг электрода (фиг. 4, в). При уменьшении этого расстояния между электродами начинает течь электрический ток, и глубина проникновения поля увеличивается (фиг. 4, б), при уменьшении зазора плотность тока увеличивается и соответственно глубина проникновения уменьшается (фиг. 4, а).
Данное нововведение позволяет практически полностью избавиться от "проводов", что в свою очередь упрощает использование устройства. Имитация нервных импульсов происходит напрямую к группам мышц в обход нервной системы человека.
Технико-экономическая эффективность практического использования предлагаемого способа заключается в следующем:
1. Конструкция устройства выполнена таким образом, что позволяет увеличить время стимуляции поврежденных нервных окончаний, тем самым время восстановления опорно-двигательной функции сокращается;
2. Использование унифицированных элементов и узлов делает устройство более дешевым по сравнению с аналогами;
3. Замена проводов и электродов на токопроводящие дорожки делает устройство более эргономичным и простым при эксплуатации;
4. Устройство выполняет две функции одновременно - стимуляцию нервных окончаний и восстанавливает опорно-двигательную функцию пациента.
Источники информации
5. Пат. RU2511082 C2 Российская Федерация, МПК A61N 1/36, A61N 1/08. Заявитель и патентообладатель МЕДЕЛ ЭЛЕКТРОМЕДИЦИНИШЕ ГЕРЭТЕ ГМБХ (AT) - №RU 2511082 С2; заявл. 27.11.2012; опубл. 10.04.2014 Бюл. №10. - 29 с.
6. Pat. US 2016/0303369 А1 USA, A61N 1/04; А61В 5/04. NEUROPROSTHETIC SYSTEM RESTORING UPPER LIMB FUNCTION THROUGH COORDINATED ELECTRICAL STIMULATION /; applicant: ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE (EPFL), Lausanne, ОТ (CH) - Pub. №.: US 2016/0303369 A1; PCT. Filed: Oct. 17.2014; Pub. Date: Oct 20,2016, 24 page.
7. Заявка на патент CN 201227336Y China, Электрическая искусственная рука управляемая при помощи электрических сигналов мозга и мышечной электрической активности / Ло Чжи, заявитель и патентообладатель Ханчжоу университет Электроник и техники. Заявл. 1.08.2008; опубл. 29.04.2009.
8. Pat. US 2010/0286748А1 USA, A61N 1 /36. METHOD AND SYSTEM FOR CONNECTING AN IMPAIRED NERVOUS SYSTEM TO A MUSCLE OR A GROUP OF MUSCLES BASED ON TEMPLATE MATHING AND INTELLIGENT END POINTS /; applicant: HANI MIDANI, West Sand Lake, NY (US). MOWAFFAK MIDANI, Naperville, IL (US) - Pub. Date. №.: US 2010/0286748 Al; PCT. Filed: Nov. 11, 2010, 26 page.