Устройство для неинвазивной электростимуляции тканей организма
DEVICE FOR NON-INVASIVE ELECTRICAL STIMULATION OF BODY TISSUES

Изобретение относится к средствам удовлетворения жизненных потребностей, а именно, к электростимулирующим устройствам и может быть использовано при изготовлении различных товаров народного потребления, например, предметов личного пользования (зубные щётки, расчёски, массажёры, бритвы, пластыри, колготы, нательные цепочки и т.д.) или столовых приборов (бокалы, ложки, вилки, палочки и т.д.).
Металлы с различными электрохимическими потенциалами, как, например, золото и цинк, образуют гальваническую пару, которая формирует напряжение электрохимической системы (ЭДС), являющееся следствием протекания потенциал образующих электрохимических реакций (В.Н. Варыпаев, М.А. Дасоян, В.А. Никольский «Химические источники тока» - М.: Высшая школа, 1990).
Из уровня техники известно устройство и способ для стимуляции роста волос и/или предотвращения выпадения волос (RU2686427, кл. A61N 1/26, A61M 5/46, A61M 37/00, опубл. 25.04.2019) за счёт прокатывания и прокалывания кожи волосистой части головы не глубже, чем на толщину дермы, и отложения ионов металла в коже. Устройство включает корпус, соединённый с источником электрического тока посредством рукояти, множество параллельно расположенных дисков, выполненных с возможностью прокатывания по волосистой части головы. Диски покрыты металлом и/или изготовлены из металла: из меди и/или цинка. Каждый из дисков включает матрицу стимулирующих элементов (иглы), расположенных по окружности дисков. Каждое прокалывание кожи волосистой части головы включает отложение ионов металла в коже и производится в течение не менее чем 0,01 секунды и не более чем 0,1 секунды. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения, стимуляция включает приложение переменного тока для поочерёдного отложения ионов меди и ионов цинка под кожей, форму волны переменного тока выбирают исходя из степени желательного отложения ионов меди и ионы цинка.
Недостатки данного изобретения: для возникновения электрического тока в цепи, а также для формирования формы и режима тока необходим внешний источник тока, при этом устройство не подразумевает использование гальванофоретического эффекта для более эффективного проникновения неинвазивных терапевтических и/или питательных средств в ткани организма.
Из уровня техники известны устройство и способ для физиотерапии (RU2215555, кл. A61N 1/30, опубл. 10.11.2003), которые относятся к медицине и могут быть использованы для получения ионов металлов и воздействия ими на биологические объекты, в том числе проведение ионофореза, без применения внешнего электрического поля. Устройство состоит из двух короткозамкнутых электродов, изготовленных из различных металлов или их соединений, химически неактивных к электролиту. Роль электролита выполняют вода, секреты кожи или слизистых покровов. Между электродами имеется контактная разность потенциалов. При контакте с электролитом из электрода выделяются ионы. Способ ионофореза заключается в том, что при наложении устройства на кожу или слизистые покровы пациента между одноименными зарядами возникают силы противодействия, которые сообщают ионам направленное перемещение.
Недостатки данного изобретения: в устройстве нет возможности задавать форму и режим тока в цепи, при этом устройство не подразумевает использование гальванофоретического эффекта для более эффективного проникновения неинвазивных терапевтических и/или питательных средств в ткани организма.
Из уровня техники известен ионофоретический пластырь (WO9727899А1, кл. A61N1/30, A61N1/32, опубл. 31.07.2003). Изобретение предназначено для проведения электротерапевтического воздействия, такого как ионофоретическая доставка лекарственных средств при рабочем диапазоне частот электрического тока 0,0027-10 Гц.
Недостатком данного изобретения является то, что для проведения гальванофореза, а также для формирования формы и режима тока ионофоретическому пластырю необходим внешний источник тока.
Из уровня техники известна расчёска (WO9704731А2, кл. A61H7/00; A61N1/32; A61N2/06; опубл. 13.02.1997), предназначенная для массажа и электротерапии, содержащая корпус с электропроводными массажными элементами и рукояткой, образующими гальваническую пару. В одном из вариантов устройства конструкция массажных элементов также может подразумевать наличие гальванической пары. Устройство может содержать источник переменного электрического тока, а также средства изменения формы сигнала и режимов работы. В частности, устройство может содержать электрический переключатель, установленный между источником электрического тока и поверхностями электродов и обеспечивающий возможность короткого замыкания электропроводных массажных элементов.
Недостатки данного изобретения: в устройстве нет возможности вести работу в импульсном режиме, устройство не подразумевает использование гальванофоретического эффекта для более эффективного проникновения неинвазивных терапевтических и/или питательных средств в ткани организма.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является зубная щётка (RU2183439, кл. A61C 17/16, A61N 1/20, A46B 9/04, опубл. 20.06.2002), содержащая катодную и анодную части, соединённые в электрическую цепь постоянного тока, а также расположенный между ними узел размыкания указанной цепи в виде реле. Катодная и анодная части представляют собой токопроводящие элементы, а электрическая цепь, к которой они подключены, снабжена источником постоянного тока. Первый токопроводящий элемент электрически соединён с положительным полюсом источника тока и размещён на рукоятке, второй элемент электрически соединён с отрицательным полюсом источника тока и расположен в зоне размещения щетины. Щётка может быть снабжена ограничителем тока и светодиодным индикатором, соединёнными последовательно с отрицательным полюсом источника тока. В качестве источника питания электронной схемы предпочтительно используется микробатарейка.
Недостатком известного устройства является то, что прерыватель (реле) обеспечивает возможность переключения режима работы от внешнего источника тока на работу в режиме короткого замыкания, но не предназначен для реализации импульсного режима, т.е. прерывание постоянного тока осуществляется только в момент переключения режимов. Кроме того, для работы известного устройства необходимо наличие отдельного источника питания (батареи), что значительно усложняет конструкцию и изготовление устройства, а также ограничивает срок его работы без обслуживания.
Технической проблемой является устранение указанных недостатков и создание устройства, способного работать в импульсном режиме постоянного тока без дополнительного источника тока.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства.
Указанная проблема решается, а технический результат достигается тем, что электростимулирующее устройство содержит катодную и анодную части, соединённые в электрическую цепь постоянного тока, а также расположенный между ними узел размыкания указанной цепи, при этим катодная и анодная части выполнены из материалов с различной электроотрицательностью, образующих гальваническую пару, а узел размыкания выполнен в виде механического прерывателя, снабжённого основанием и инерционным осциллирующим элементом, обеспечивающим периодическое размыкание и замыкание указанной цепи под воздействием внешних сил при эксплуатации устройства.
Устройство предпочтительно выполнено с возможностью прерывания электрической цепи с частотой 0,5-20 Гц, а гальваническая пара – с возможностью формирования в электрической цепи ЭДС величиной 0,4-2,8 В.
Катодная часть устройства может быть выполнена из золота, платины, серебра, графита или палладия, анодная часть – из цинка, магния, лития или их сплавов. Устройство может быть выполнено в виде диэлектрической заготовки, на которой катодная и анодная части сформированы в виде металлического покрытия.
Основание механического прерывателя может быть выполнено полым и состоять из соединённых через диэлектрик первой и второй токопроводящих частей, а инерционный осциллирующий элемент может быть расположен внутри указанного основания. Первая токопроводящая часть основания механического прерывателя соединена с катодной частью устройства, а вторая токопроводящая часть основания механического прерывателя соединена с анодной частью устройства.
Инерционный осциллирующий элемент предпочтительно состоит из токопроводящих крепёжного элемента, контактного элемента и соединяющего их стержня, при этом крепёжный элемент соединён с первой токопроводящей частью основания, а стержень и контактный элемент выполнены таким образом, чтобы обеспечить возможность периодического касания контактного элемента и второй токопроводящей части основания в ходе колебания под воздействием внешних сил.
В одном варианте исполнения инерционного осциллирующего элемента крепёжный элемент и контактный элемент выполнены в виде конусообразных спиралей с различными максимальными диаметрами, вершины которых соединены со стержнем. В другом варианте крепёжный элемент выполнен в виде цилиндрической спирали, а контактный элемент выполнен в виде продолжения стержня, закрученного в спираль или кольцо.
Также возможно исполнение механического прерывателя, где крепёжный элемент выполнен в виде продолжения стержня, а контактный элемент – в виде грузика, на внутренней стенке второй токопроводящей части основания выполнен буртик, на котором закреплён гибкий упругий дополнительный контактный элемент, выполненный с возможностью колебания под воздействием внешних сил при эксплуатации устройства и электрически изолированный от инерционного осциллирующего элемента в отсутствии указанных сил. При этом дополнительный контактный элемент может быть выполнен в виде цилиндрической спирали, а между стержнем и дополнительным контактным элементом может быть расположена диэлектрическая вставка.
Конструкция устройства предполагает и иные варианты выполнения инерционного осциллирующего элемента.
Например, основание механического прерывателя может быть выполнено в виде полого цилиндра, внутри которого расположен инерционный осциллирующий элемент в виде токопроводящего шарика, диаметр которого меньше внутреннего диаметра указанного цилиндра и равен высоте полости цилиндра, при этом в центральной части внутренней стенки цилиндра расположены токопроводящие контактные площадки, разделённые диэлектрическими вставками и через одну соединённые с катодной и анодной частями устройства.
Или же вариант исполнения, где основание механического прерывателя выполнено в виде полого внешнего цилиндра, а инерционный осциллирующий элемент выполнен в виде расположенного внутри него с возможностью соосного вращения внутреннего цилиндра, причём на внутренней стенке внешнего цилиндра и на внешней стенке внутреннего цилиндра расположены токопроводящие контактные площадки, чередующиеся с диэлектрическими вставками.
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого электростимулирующего устройства в виде зубной щётки;
на фиг. 2 – то же в виде расчёски;
на фиг. 3 – то же в виде роликового массажёра;
на фиг. 4 – то же в виде массажёра-палочки;
на фиг. 5 – то же в виде бритвы;
на фиг. 6 –  то же в виде пластыря;
на фиг. 7 – то же в виде бокала;
на фиг. 8 – то же в виде ложки;
на фиг. 9 – пара электростимулирующих устройств в виде палочек для еды;
на фиг. 10 – схема взаимодействия предлагаемого электростимулирующего устройства с пользователем;
на фиг. 11 – кинетический механический прерыватель с крепёжным элементом и контактным элементом, выполненными в виде конусообразных спиралей;
на фиг. 12 – кинетический механический прерыватель с крепёжным элементом, выполненным в виде цилиндрической спирали, и контактным элементом, выполненным в виде продолжения стержня, закрученного в спираль или кольцо;
на фиг. 13 – кинетический механический прерыватель с крепёжным элементом, выполненным в виде продолжения стержня, и контактным элементом, выполненным в виде грузика;
на фиг. 14 – гравитационный механический прерыватель, вид сверху;
на фиг. 15 – гравитационный механический прерыватель, вид сбоку;
на фиг. 16 – вращательный механический прерыватель;
на фиг. 17 – график зависимости скорости (1/t) проникновения неинвазивных терапевтических и/или питательных средств в ткани организма от частоты прерывания цепи постоянного тока.
Предлагаемое электростимулирующее устройство (фиг.1-9) образовано диэлектрической заготовкой 1 с катодной 2 и анодной 3 частями. Части 2 и 3 соединены в электрическую цепь постоянного тока, выполнены из материалов с различной электроотрицательностью, т. е. различными электрохимическими потенциалами (например, золота и цинка) и образуют гальваническую пару, формирующую напряжение в электрической цепи — напряжение электрохимической системы (ЭДС) — величиной от 0,4 до 2,8 В, образующееся за счёт протекания потенциал образующих электрохимических реакций
Гальваническому контакту золото (Au) – цинк (Zn) соответствуют следующие полуреакции:
o
где E – стандартный электродный потенциал полуреакции,
при этом ЭДС равно 1,616 В.
Гальваническому контакту золото (Au) – магний (Mg) соответствуют следующие полуреакции:
при этом ЭДС равно 2,763 В.
Между частями 2 и 3 расположен узел размыкания в виде механического прерывателя 4, обеспечивающего периодическое размыкание и замыкание указанной цепи под воздействием внешних механических сил при эксплуатации устройства с частотой 0,5-20 Гц. В процессе использования устройства катодная 2 и анодная 3 части оказываются соединёнными между собой с одной стороны через механический прерыватель 4, а с другой – через живой биологический объект (ткани пользователя) (фиг.10).
Устройство может быть выполнено как в виде диэлектрической заготовки 1, на которой катодная 2 и анодная 3 части сформированы в виде металлических покрытий, так и целиком из материалов с различной электроотрицательностью (различными электрохимическими потенциалами). При этом катодная часть устройства может быть выполнена из золота, платины, серебра, графита или палладия, а анодная часть – из цинка, магния, лития или их сплавов.
В кинетическом варианте выполнения (фиг. 11-13) механический прерыватель 4 предлагаемого устройства состоит из основания 5 и инерционного осциллирующего элемента 9. Основание 5 механического прерывателя 4 выполнено полым и состоит из соединённых через диэлектрик 8 первой 6 и второй 7 токопроводящих частей. Инерционный осциллирующий элемент 9 расположен внутри основания 5. Первая токопроводящая часть 5 соединена с катодной частью 2 устройства, а вторая токопроводящая часть 7 соединена с анодной частью 3 устройства.
В одном из вариантов исполнения кинетического механического прерывателя (фиг.11) инерционный осциллирующий элемент 9 состоит из токопроводящих крепёжного элемента 10, контактного элемента 12 и соединяющего их стержня 11. Крепёжный элемент 10 соединён с первой токопроводящей частью 6 основания 5, а стержень 11 и контактный элемент 12 выполнены таким образом, чтобы обеспечить возможность периодического касания контактного элемента 12 и второй токопроводящей части 7 основания 5 в ходе колебания под воздействием внешних механических сил при эксплуатации устройства. Крепёжный элемент 10 и контактный элемент 12 выполнены в виде конусообразных спиралей с различными максимальными диаметрами d1 и d2 соответственно, вершины которых соединены со стержнем 11.
В другом варианте исполнения кинетического механического прерывателя (фиг. 12) крепёжный элемент 10 выполнен в виде цилиндрической спирали, а контактный элемент 12 выполнен в виде продолжения стержня, закрученного в спираль или кольцо.
В ещё одном варианте исполнения кинетического механического прерывателя (фиг. 13) крепёжный элемент 10 выполнен в виде продолжения стержня 11, а контактный элемент 12 выполнен в виде грузика. При этом на внутренней стенке второй токопроводящей части 7 основания 5 выполнен кольцевой буртик 13, на котором закреплён гибкий упругий дополнительный контактный элемент 14. Элемент 14 выполнен с возможностью колебания под воздействием внешних механических сил при эксплуатации устройства и электрически изолирован от инерционного осциллирующего элемента 9 диэлектрической вставкой 15.
В гравитационном варианте выполнения (фиг.14, фиг.15) основание 5 механического прерывателя выполнено в виде полого цилиндра, внутри которого расположен инерционный осциллирующий элемент 9 в виде токопроводящего шарика. В центральной части внутренней стенки основания 5 расположены токопроводящие контактные площадки 16, разделённые диэлектрическими вставками 17 и через одну соединённые с катодной 2 и анодной 3 частями устройства.
Во вращательном варианте выполнения (фиг.16) основание 5 механического прерывателя выполнено в виде полого внешнего цилиндра, а инерционный осциллирующий элемент 9 выполнен в виде расположенного внутри него с возможностью соосного вращения внутреннего цилиндра. На внутренней стенке основания 5 и на внешней стенке инерционного осциллирующего элемента 9 расположены токопроводящие контактные площадки 16, чередующиеся с диэлектрическими вставками 17.
Предлагаемое устройство с кинетическим механическим прерывателем 4 (фиг.11-13) работает следующим образом.
В нерабочем режиме устройства катодная 2 и анодная 3 части, соединённые в электрическую цепь постоянного тока, разомкнуты. Под воздействием периодической внешней механической силы, прилагаемой к устройству при эксплуатации – например, при расчёсывании, чистке зубов и т.д. – устройство переходит в импульсный режим работы. При этом стержень 9 с контактным элементом 12 переходят в состояние непрерывного вынужденного колебания, что приводит к периодическому замыканию цепи постоянного тока при электрическом контакте частей 6 и 7 механического прерывателя 4, соединёнными с катодной 2 и анодной 3 частями устройства соответственно.
Отличие кинетического механического прерывателя, изображённого на фиг.13 от других (фиг.11, фиг.12) в том, что в импульсном режиме устройства вместе со стержнем 9 и контактным элементом 12 в состояние непрерывного вынужденного колебания переходит дополнительный контактный элемент 14, но с другим периодом собственных колебаний. Наличие дополнительного контактного элемента 14, варьирование его параметров, а также параметров стержня 9 и контактного элемента 12 позволяет изменять частоту замыкания и размыкания цепи постоянного тока в более широком диапазоне значений.
После прекращения воздействия внешней механической силы устройство переходит в промежуточный режим работы, в котором стержень 9 с контактным элементом 12 находятся в состоянии затухающих свободных колебаний за счёт сил упругости, но уже без электрического замыкания с основанием 5. По прекращению колебаний устройство вновь переходит в нерабочий режим.
Предлагаемое устройство с гравитационным механическим прерывателем (фиг.14, 15) работает следующим образом.
В нерабочем режиме устройства (фиг.14, фиг.15) катодная и анодная части, соединённые в электрическую цепь постоянного тока, замкнуты между собой. Под воздействием внешней механической силы, прилагаемой к устройству при эксплуатации, инерционный осциллирующий элемент 9 в виде шарика переходит в состояние непрерывного вынужденного колебания внутри полости основания 5, что приводит к периодическому замыканию цепи постоянного тока через контактные площадки 16 и размыкании при попадании на вставки 17.
Предлагаемое устройство с вращательным механическим прерывателем (фиг.16) работает следующим образом.
В нерабочем режиме устройства (фиг.16) катодная и анодная части, соединённые в электрическую цепь постоянного тока, могут быть как замкнуты, так и разомкнуты. При переходе устройства в импульсный режим работы инерционный осциллирующий элемент 9 вращательного механического прерывателя 4 переходит в соосное с основанием 5 вращение, что приводит к периодическому замыканию и размыканию цепи постоянного тока посредством периодического касания токопроводящих контактных площадок 16.
Электродвижущая сила, возникающая между катодной 2 и анодной 3 частями устройства, обеспечивает прохождение микротока через ткани организма (область воздействия устройства). В процессе применения устройства на коже возможны следующие эффекты: приятные тактильные ощущения, мурашки, местное улучшение кровообращения, разогрев области воздействия. В процессе применения устройства, выполненного в виде зубной щётки или столовых приборов, возможно ощущение кислинки во рту, усиливающееся с ростом частоты прерывания гальванопары. В случае совмещения действия устройства с применением неинвазивных терапевтических и/или питательных средств наблюдается повышение скорости проникновения вышеописанных средств через ткани.
Для исследования эффективности электростимулирующего воздействия постоянного тока в импульсном режиме был проведён эксперимент по изучению проникновения никотиновой кислоты сквозь кожу человека. Опытным путём было установлено, что увеличение частоты прерывания цепи постоянного тока приводит к увеличению скорости проникновения неинвазивных терапевтических и/или питательных средств в ткани организма, причём полученная кривая имеет вид степенной зависимости (фиг.17). Для обнаружения указанной зависимости частота прерывания задавалась с помощью потенциостата «Элинс» Р-20Х, а для определения скорости проникновения лекарственных препаратов секундомером отмечался момент покраснения кожных покровов, сигнализирующий о проникновении исследуемого вещества. Рядом наносилась контрольная капля вещества: во время проведения эксперимента без электрического воздействия покраснения кожных покровов не наблюдалось.
На фиг.17 отмечены точки, полученные при проведении экспериментов с опытными образцами предлагаемого устройства с механическим прерывателем: точка 18 – для устройства в виде массажёра-палочки, точка 19 – для устройства в виде расчёски.
Выбранный диапазон от 0,5 до 20 Гц (выделен рамкой на фиг. 17) был определён в качестве наиболее предпочтительного для практического применения, поскольку при меньших значениях практически не наблюдается эффект импульсного режима (скорость проникновения неинвазивных средств в ткани организма уменьшается и  стремится к скорости проникновения под воздействием постоянного тока), а реализация большей частоты с помощью механического преобразователя сопряжена со значительными технологическими трудностями, быстрым износом изделия и большим ростом затрат на изготовление ввиду миниатюризации механизмов. Частота прерывания в указанном диапазоне может варьироваться путём подбора геометрических и физико-химических параметров элементов прерывателя 4.
Поскольку согласно полярному закону Пфлюгера (Ходоров Б. И. Общая физиология возбудимых мембран, М., 1975) именно под воздействием постоянного тока возникает состояние возбуждения ткани в момент замыкания и размыкания цепи, предлагаемое устройство, реализующее импульсный режим постоянного тока обеспечивает формирование особого вида физиологического воздействия. В сочетании с использованием эффекта гальванофореза такая форма воздействия позволяет получить новые физиотерапевтические и органолептические эффекты, не доступные с помощью известных аналогов предлагаемого устройства. Узел размыкания электрической цепи предлагаемого устройства выполнен в виде механического прерывателя, так как современный уровень техники не позволяет реализовать электронный прерыватель используя энергию предлагаемых вариантов гальванопар без потерь электричества на работу устройства: ЭДС 2,8 В, сила тока 100 мкА, мощность 0,28 Вт.
Благодаря вышеописанным конструктивным особенностям, предлагаемая конструкция позволяет значительно расширить функциональные возможности электростимулирующего устройства. Кроме того, применение устройства в совокупности с неинвазивными терапевтическими и/или питательными средствами позволяет увеличить скорость проникновения таких средств в ткани организма за счёт гальванофоретического эффекта (скорость проникновения тем выше, чем больше частота импульсного режима, и чем больше разность потенциалов в гальванопаре).