СПОСОБ ЧРЕСКОЖНОГО ЭЛЕКТРОВОЗДЕЙСТВИЯ
PERCUTANEOUS ELECTROEXPOSURE METHOD

Изобретение относится к физиотерапии, в частности, к способам электроимпульсного воздействия (далее - электровоздействие), а конкретно - к СКЭНАР-терапии и другим способам электровоздействия, в которых для генерации стимулов используют индуктивный накопитель энергии. При установке электродов таких аппаратов на кожу пациента образуется контур ударного возбуждения, состоящий из индуктивного накопителя, расположенного в устройстве, и внешнего межэлектродного импеданса.
Изобретение может быть использовано для лечебных, реабилитационных, профилактических целей, а также при выполнении исследований, связанных с изучением влияния на организм электровоздействия.
Имеется достаточно большое количество патентов, в которых изложены способы и технические средства для осуществления СКЭНАР-терапии (см., например, патенты RU: 2325930, 2155614, 2161904, 2211712, 2113249, патент US 10,518,088 В2) а также способы лечения различных заболеваний с использованием СКЭНАР-терапии (см., например, патенты RU: 2405595, 2377032, 2344852, 2380124, 2294216, 2250785, 2175564, 2296551, 2285550, 2212907).
Для повышения эффективности СКЭНАР-терапии используют различные пути.
Так, в известном способе электровоздействия (см. патент RU 2325929, МПК A61N 1/08 A61N 1/36, опубл. 10.06.2008 г. ) вместо единичных используют пачки стимулов и управляют изменением формы стимулов в соответствии с протеканием электрохимических процессов в тканях биологического объекта под воздействием стимулов. Управление формой производят на трех уровнях:
- параметрическое управление контуром ударного возбуждения,
- управление путем подключения к индуктивному накопителю демпфирующих RC-цепей,
- изменение параметров пачек стимулов (числа стимулов в пачке, расстояния между стимулами и частоты следования пачек).
Дальнейшим развитием этого направления повышения эффективности является способ по патенту US 10,518,088 В2, в дополнение к трем вышеуказанным уровням управления, предусматривающий еще и управление моментом начала очередного стимула в пачке в зависимости от фазы свободных колебаний предыдущего стимула.
Эти способы обеспечивают значительные возможности управления временной структурой воздействия. Тем не менее, сам способ формирования стимулов при единственном накопителе энергии накладывает непреодолимые ограничения на возможности такого управления.
Другим путем повышения эффективности воздействия, который используется в известных аналогах предлагаемого изобретения, является установка на кожу пациента нескольких (больше 2) электродов и поочередная подача на них стимулов. При этом электроды могут быть как распределены по телу, так и собраны в компактный мультиэлектрод. Поскольку разные авторы произвольно именуют такие электродные системы и участки кожного покрова, на которые осуществляется воздействие, для более ясного последующего изложения дадим определения.
2
Локальная зона - небольшая, местная зона, площадь которой приблизительно соответствует площади встроенных в аппарат электродов - 10-15 см.
Локальное воздействие - воздействие на локальную зону.
Протяженная зона - зона, покрывающая значительную часть тела, или конечности, или часть тела целиком (спина, живот).
Распределенное воздействие - воздействие на протяженную зону, не обязательно одновременное.
Мультиэлектрод - N (N≥2) электродов, установленных на коже пациента. Может быть выполнен в виде единого мультиэлектрода (N электродов на общем диэлектрическом основании), либо в виде отдельных моно- или мультиэлектродов (биполярный электрод является предельным случаем мультиэлектрода).
Последовательное воздействие - воздействие переставляемым биполярным или парой монополярных электродов, или коммутируемым мультиэлектродом от единственного источника стимулов.
Локальный мультиэлектрод - компактный (относительно небольшой площади) электрод. Приблизительно соответствует площади встроенного в аппарат электрода. Обеспечивает локальное воздействие при стабильной установке. Также может использоваться для распределенного воздействия путем последовательных установок либо передвижения электрода по коже.
Распределенный мультиэлектрод - электрод для воздействия на протяженные зоны.
Сочетанное воздействие - одновременное локальное или распределенное воздействие стимулами от нескольких источников.
При обзоре уровня техники будет использована определенная выше терминология, независимо от того, какие термины использовали в описаниях авторы.
Способ электровоздействия, вытекающий из описания к патенту Российской Федерации №2135226, МПК A61N 1/36, опубл. 27.08.99 г., обеспечивает индивидуально-дозированное, детерминированное по группе выбранных зон и циклическое по времени воздействие.
К достоинству данного способа следует отнести возможность распределенного воздействия с помощью 2N (N>1) электродов, а также использование для формирования стимулов индуктивного накопителя (в описании - импульсный трансформатор), что связывает его с предлагаемым изобретением.
Поскольку данный способ предусматривает использование единственного источника стимулов, то он может обеспечить только последовательное воздействие, что не позволяет управлять пространственной структурой воздействующих стимулов, а управление временной структурой ограничено использованием единственного источника стимулов. Соответственно, данный способ не может обеспечить ни локальное, ни распределенное сочетанное воздействие. Это существенно снижает функциональные возможности способа и ограничивает его применимость исключительно последовательным воздействием.
Способ электровоздействия, вытекающий из описания к патенту Российской Федерации №2262957; МПК А61N 1/36, опубл. 27.10.2005 г., Бюлл. №30, обеспечивает воздействие на протяженные зоны иннервации и прогнозирование необходимого до окончания лечения количества сеансов электровоздействия.
С предлагаемым изобретением этот способ связан возможностью осуществлять воздействие с помощью 2N (N>1) электродов и использованием для формирования стимулов индуктивного накопителя (в описании - двухсекционная высокодобротная катушка индуктивности).
Однако данный способ не позволяет управлять ни временной, ни пространственной структурой воздействующих стимулов, т.е. не может обеспечить ни локальное сочетанное, ни распределенное сочетанное воздействие.
Это, как и в предыдущем случае, снижает функциональные возможности рассматриваемого способа и ограничивает его применимость только последовательным воздействием.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ, вытекающий из описания полезной модели Российской Федерации №33006, МПК А61Н 39/00, A61N 1/36, опубл. 2003 г. Способ обеспечивает как локальное (первый вариант), так и распределенное (второй вариант) воздействие с помощью 2N электродов.
В первом варианте способа используют два электрода и коммутатор первичной обмотки индуктивного накопителя. После установки электродов и подбора по субъективным ощущениям пациента энергии воздействия, подают по 2-3 тестирующих стимула для каждого положения коммутатора первичной обмотки индуктивного накопителя, определяют реакцию на воздействие и выбирают такое положение коммутатора, которое вызывает наибольшую ответную реакцию (режим «Поиск»). Затем (режим «Стимуляция») воздействуют выбранными стимулами до прекращения динамики и повторяют проверку реактивности, коммутируя первичную обмотку индуктивного накопителя. Вновь воздействуют стимулами, вызывающими наибольшую реактивность.
Во втором варианте способа используют N (N>2) электродов, один из которых общий, и K=N-1 ключей, которые обеспечивают поочередное подключение каждого из N-1 электродов к индуктивному накопителю. При этом цепи каждого из N-1 электродов могут иметь различные характеристики, что обеспечивает раздельное управление формой стимула на каждом из N-1 электродов. После установки электродов и подбора по субъективным ощущениям пациента энергии воздействия, подают по 2-3 тестирующих стимула для каждого из N-1 электродов, определяют реакцию на воздействие и выбирают тот электрод (вместе с формой стимула), которые вызывают наибольшую реактивность. Затем воздействуют выбранным электродом до прекращения динамики и повторяют оценку реактивности, коммутируя N-1 электродов после чего вновь повторяют воздействие на том месте и той формой стимула, которые вызвали наибольшую реактивность.
В прототипе заявлена возможность индивидуального подбора формы стимулов по максимальной реактивности воздействия. В первом варианте поиск максимальной реактивности производят, изменяя в некоторых пределах параметры единичных стимулов, а во втором - перебирая зоны воздействия и, возможно, также изменяя параметры единичных стимулов.
К достоинству данного способа следует отнести возможность осуществления как локального, так и распределенного воздействия с помощью нескольких электродов и использование для формирования стимулов индуктивного накопителя (в описании - двухсекционная высокодобротная катушка индуктивности), что связывает его с предлагаемым изобретением.
С предлагаемым изобретением данный способ связан также использованием коммутации индуктивного накопителя и коммутации электродов.
Однако первый вариант прототипа предусматривает коммутацию первичной обмотки единственного индуктивного накопителя. (Авторы прототипа ошибочно утверждают, что это позволяет изменять форму стимула, но фактически такая коммутация влияет только на его амплитуду.) Второй вариант обеспечивает лишь случайное, а не целенаправленное управление формой стимулов, поскольку указанная форма зависит одновременно и от случайных параметров цепей коммутации, и от неизвестного межэлектродного импеданса. Оба варианта способа могут обеспечить лишь простейшее последовательное распределение стимулов, т.е. не могут обеспечить ни сочетанное воздействие (управляемой структурой стимулов), ни одновременное распределенное воздействие.
И аналоги, и прототип, несмотря на использование мультиэлектродов, по сути, являются одноканальными устройствами. Они могут обеспечить только последовательную стимуляцию, а единственный индуктивный накопитель энергии существенно ограничивает возможности управления временной структурой воздействия. Последовательной коммутацией электродов (или обмоток индуктивного накопителя) можно достичь только формирования некоторой, не слишком сложной, временной структуры воздействия и/или поочередного воздействия на различные участки протяженных зон.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности воздействия существующих способов чрескожного электровоздействия, применяющих индуктивный накопитель энергии, за счет формирования пространственно-временной структуры воздействующего стимула, и в расширении их функциональных возможностей.
Технический результат заключается в предоставлении пользователю возможности управления временной и пространственной структурой стимулов, в частности, осуществлять сочетанное воздействие выбранной структурой стимулов, либо одновременное распределенное воздействие одинаковыми или различными стимулами, а также комбинировать эти методы с целью индивидуального подбора наиболее эффективного сочетания пространственно-временных параметров воздействия. Это, в частности, улучшает кровоснабжение нижележащих тканей и органов за счет усиления коллатерального кровообращения, воздействует на интерстициальную (межклеточную) жидкость, стимулирует транспорт ее и компонентов (продуктов клеточного обмена, нейротрансмиттеров, нейромодуляторов и т.д.). Происходит ускорение рассасывания отеков, устранение застойных явлений, существенное улучшение трофики тканей, лимфодренажа, восстановление эластичности отдельных волокон и их слоев.
Технический результат достигается тем, что при электровоздействии с использованием индуктивного накопителя энергии, пространственно-временную структуру воздействующих стимулов формируют с помощью N (N больше 1) индуктивных накопителей энергии и от 2 до 2N электродов, при этом часть индуктивных накопителей энергии может быть объединена в одну или несколько групп, в которых индуктивные накопители энергии соединены между собой последовательно.
В одном из вариантов способа все или часть из от 2 до 2N электродов выполняют в виде раздельных монополярных электродов. Указанные электроды устанавливают на выбранные зоны кожной поверхности, что обеспечивает сочетанное распределенное воздействие.
В другом варианте все или часть из от 2 до 2N электродов объединяют в один или несколько локальных мультиэлектродов, которые используют для сочетанного локального воздействия.
Способ предусматривает вариант распределенного воздействия, при котором часть электродов размещают на выбранных зонах кожной поверхности, а другую часть электродов последовательно устанавливают либо передвигают по коже.
При другом варианте воздействия на протяженные зоны все или часть из от 2 до 2N электродов объединяют в один или несколько локальных мультиэлектродов, которые последовательно устанавливают либо передвигают по коже.
Также предусмотрен вариант управления пространственно-временной структурой стимулов путем коммутации обмоток индуктивных накопителей.
Еще одной особенностью изобретения является воздействие сухими электродами.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - функциональная схема электростимулятора с индуктивным накопителем энергии;
на фиг. 2 - осциллограмма реального стимула;
на фиг. 3 - схема соединения N накопителей и 2N электродов;
на фиг. 4 - схема соединения N накопителей и N+1 электродов;
на фиг. 5 - схема соединения двух пар накопителей и шести электродов;
на фиг. 6 - схема соединения N накопителей и двух электродов;
на фиг. 7 - функциональная схема электростимулятора при двух накопителях и четырех электродах;
на фиг. 8 - эпюры напряжений для схемы по фиг.7;
на фиг. 9 - функциональная схема электростимулятора при двух накопителях и трех электродах;
на фиг. 10 - эпюры напряжений для схемы по фиг. 9;
на фиг. 11 - отличия функциональной схемы электростимулятора для формирования разнополярных стимулов;
на фиг. 12 - эпюры напряжений для схемы по фиг. 11;
на фиг. 13 - отличия функциональной схемы электростимулятора с последовательным разнонаправленным включением вторичных обмоток накопителей;
на фиг. 14 - эпюры напряжений для схемы по фиг. 13;
на фиг. 15 - биполярный коаксиальный электрод;
на фиг. 16 - биполярный электрод с двумя линейными проводящими частями;
на фиг. 17 - биполярный электрод с тремя линейными проводящими частями;
на фиг. 18 - трехполярный коаксиальный электрод;
на фиг. 19 - трехполярный мультиэлектрод;
на фиг. 20 - трехполярный мультиэлектрод с линейными проводящими частями;
на фиг. 21 - квадрополярный мультиэлектрод;
на фиг. 22 - квадрополярный мультиэлектрод с линейными проводящими частями.
При использовании любых приемов электровоздействия важным вопросом является возможность управления его структурой.
Примером управления временной структурой стимулов могут служить «Бурст ЧЭНСы» (Burst' TENS), в которых последовательно подаются стимулы, используемые в высокочастотных низкоинтенсивных ЧЭНС (TENS'), работающих на частоте примерно 100 Гц и низкочастотных высокоинтенсивных акупунктурных ЧЭНС (Acupuncture (Lo) TENS), работающих на частоте 1-5 Гц.[rwww.electrotherapy.org/, TENS © Tim Watson/, Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation (TENS); Mark Johnson, Transcutaneous electrical nerve stimulation (TENS) Continuing Education in Anaesthesia, Critical Care & Pain j Volume 9 Number 4 2009, p. 30-35]. Первые позволяют осуществить быстрое обезболивание, но на короткое время, вторые дают более длительный, но несколько отсроченный результат и некомфортны в применении. Последовательное воздействие различными по свойствам стимулами позволяет уменьшить негативные свойства каждого типа и усилить обезболивание.
Современные технические и программные средства позволяют реализовать подобную структуру при использовании единственного источника стимулов. Однако сочетанное (одновременное) воздействие на одну и ту же зону разными по характеристикам стимулами или одновременное распределенное воздействие такой подход реализовать не позволяет.
Из уровня техники известно, что формирование стимулов с использованием индуктивного накопителя энергии (СКЭНАР-воздействие), состоит из двух обязательных, циклически повторяющихся, стадий:
- накопление энергии (накачка),
- ее расходование (использование для воздействия).
i
Функциональная схема (фиг. 1) электростимулятора с индуктивным накопителем энергии (аппарат СКЭНАР и любой другой, использующий индуктивный накопитель энергии) включает индуктивный накопитель энергии L (1) с внутренним активным сопротивлением r (2), подключенный к источнику питания 3 через ключ 4 и к электродам 5 и 6, которые устанавливают на кожу или слизистые покровы, электрический эквивалент которых представлен RC-цепочкой 7 (см. Dorgan, S. J., & Reilly, R. В. (1999). A model for human skin impedance during surface functional neuromuscular stimulation. IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering, 7(3), 341-348, а также Keller, Т., & Kuhn, A. (2008). Electrodes for transcutaneous (surface) electrical stimulation. Journal of Automatic Control, 18(2), 35-45.).
p
s
Эквивалент межэлектродного импеданса включает сопротивление R (8) и емкость С (9) двойного слоя, а также сопротивление r (10) нижележащих межэлектродных тканей.
На фиг. 2 показана осциллограмма реального стимула: 11 - первая стадия стимула (накачка), 12 - вторая стадия стимула (свободные колебания), 13 - амплитуда первого импульса второй стадии стимула (далее по тексту - амплитуда стимула).
Двухстадийное формирование стимулов с использованием индуктивного накопителя происходит следующим образом.
В исходном положении ключ 4 разомкнут.
При замыкании ключа 4 напряжение от источника питания 3 подается на индуктивный накопитель 1 с активным сопротивлением 2, что вызывает протекание линейно растущего тока и накопление электромагнитной энергии. Это первая стадия 8 формирования стимула, в течение которой происходит "накачивание" энергии в индуктивный накопитель 1, отсюда другое название первой стадии стимула - "накачка".
На этой стадии параллельно межэлектродным тканям 7 подключены индуктивный накопитель 1 с активным сопротивлением 2, а также источник питания 3, последовательно соединенный с ключом 4. Поскольку внутреннее сопротивление источника питания 3 и ключа 4 (единицы или доли Ом, эти сопротивления на схеме не показаны) существенно меньше импеданса межэлектродных тканей 7, форма стимула в течение первой стадии практически не зависит от импеданса межэлектродных тканей 7.
После достижения заданной величины накопленной энергии, индуктивный накопитель 1 отключают от источника питания 3, размыкая ключ 4. Начинается вторая стадия 12 формирования стимула - «свободные колебания», в процессе которой энергия, накопленная индуктивным накопителем 1 в предыдущей стадии, через электроды 5 и 6 передается на ткани биологического объекта 7 и возбуждает свободные электрические колебания в колебательном контуре, образованном индуктивностью накопителя 1 и импедансом межэлектродных тканей 7. Теперь небольшое внутреннее сопротивление 2 индуктивного накопителя 1 включено последовательно с импедансом межэлектродных тканей 7, поэтому форма колебаний определяется импедансом межэлектродных тканей 7 и индуктивностью накопителя 1.
Такой способ возбуждения колебаний известен под названием «ударное возбуждение», а указанный контур под названием «контур ударного возбуждения». Конкретное исполнение индуктивного накопителя - в виде катушки индуктивности, трансформатора или автотрансформатора - несущественно. Важна лишь способность элемента, подключенного к электродам, накапливать электромагнитную энергию.
Амплитуда стимула 13 и характер колебательного процесса во время второй стадии 12 зависит как от энергии, накопленной во время первой стадии (длительности первой стадии 11), так и от параметров импеданса межэлектродных тканей 7, который формируется в процессе образования емкости двойного электрического слоя.
Описанные стадии следуют друг за другом в течение всей процедуры СКЭНАР-терапии.
Высокая вариативность формы стимула на второй стадии является важной причиной более высокой эффективности СКЭНАР-воздействия по сравнению с прочими методами электролечения, а управление формой - одним из наиболее очевидных путей дальнейшего повышения его эффективности.
Варианты управления формой стимула, использованные в аналогах и прототипе, имеют принципиальное ограничение, накладываемое двухстадийностью формирования стимула: длительность накачки выбирают в зависимости от индивидуальных ощущений, поэтому она не может быть изменена произвольно. Но во время накачки управление формой стимула невозможно, откуда и вытекает упомянутое выше ограничение.
Использование нескольких индуктивных накопителей предоставляет различные пути решения этой проблемы и позволяет обеспечить управление и пространственной и временной структурой воздействия, недостижимое для единичного индуктивного накопителя.
В патенте US 10,518,088 В2 отмечено, что управление моментом начала очередного стимула в пачке в зависимости от фазы свободных колебаний предыдущего стимула, позволяет получить более «острые» или более «мягкие» ощущения. Это обеспечивает постепенное уменьшение симптомов и достижение длительного эффекта, либо, напротив, более явный отклик организма, быструю его реакцию, уменьшение времени обезболивания. Предварительные исследования показали, что подобных и даже более явных эффектов можно добиться одновременным воздействием различными по характеристикам стимулами, которые формируются одновременно несколькими индуктивными накопителями.
Использование N независимых индуктивных накопителей предоставляет спектр новых функциональных возможностей как для локального, так и для распределенного воздействия.
Рассмотрим пример реализации способа для N накопителей, не использующих последовательное соединение. В этом случае существуют два предельных варианта подключения к мультиэлектроду:
- каждый накопитель подключается к собственной паре электродов (и общее количество электродов равно 2N), фиг. 3;
- один вывод каждого из N накопителей подключается к N раздельным электродам, а другие выводы всех N накопителей - к общему электроду (и общее количество электродов равно N+1), фиг. 4.
(Для иллюстрации принципа на фиг. 3÷6 приведены только выходные обмотки индуктивных накопителей.)
Преимущество стимулятора с N накопителями по фиг. 3 перед N отдельными независимыми стимуляторами следующие:
- объединение 2N электродов в компактный локальный электрод обеспечивает сочетанное воздействие несколькими независимыми формами стимулов (то есть, согласованное управление временной структурой стимулов) на одну и ту же зону;
- использование 2N электродов в распределенном виде обеспечивает распределенное сочетанное воздействие несколькими независимыми формами стимулов (то есть, согласованное управление временной и пространственной структурой стимулов).
Между указанными крайними вариантами имеется множество промежуточных. Например, для попарно объединяемых накопителей с одинаковыми или различающимися характеристиками, необходимо по одному отдельному электроду и одному общему на пару накопителей. Так, для двух пар накопителей (N=4) потребуется N+N/2=6 электродов (Фиг. 5).
При последовательном соединении группы индуктивных накопителей, на всю группу потребуется только два электрода (см. фиг. 6).
Возможны различные комбинации объединения выводов индуктивных накопителей. В любом случае для подачи на биологический объект стимулов от N индуктивных накопителей потребуется от 2 до 2N электродов.
Поскольку индуктивные накопители независимы, то управляя параметрами накачки (временами включения и выключения ключей и периодами их переключений), а также используя накопители с различными индуктивностями, можно существенно изменять форму стимулов, то есть, временную структуру воздействия. Используя для распределенного воздействия несколько накопителей с соответствующим управлением накачками и мультиэлектрод, можно управлять пространственной структурой воздействия.
Ниже приведены функциональные схемы различных вариантов соединения для двух индуктивных накопителей (N=2).
p
s
На фиг. 7 приведена функциональная схема электростимулятора при количестве электродов 2N=4. Представлено наиболее прозрачное решение: индуктивные накопители выполнены в виде трансформаторов 13 и 14 с изолированными вторичными обмотками 15 и 16, которые подключают к тканям биологического объекта по схеме фиг. 3 через четыре электрода 17÷20. Импеданс подэлектродных тканей под каждым электродом представлен эквивалентами 21÷24, аналогичными эквиваленту 7 на фиг. 1. Каждый из эквивалентов 21÷24 состоит из сопротивления R (25) и емкости С (26) двойного слоя, а также сопротивление r (27) нижележащих межэлектродных тканей. Первичные обмотки 28 и 29 индуктивных накопителей 13 и 14 на время первой стадии подключаются ключами 30 и 31 соответственно к источнику питания 32. Глубокие ткани 33 в силу низкого собственного импеданса являются эквипотенциальными для всех электродов.
На фиг. 8 приведены эпюры стимулов (получены при помощи программы Micro-Cap 12) при следующих условиях:
- индуктивности вторичных обмоток 15 и 16 составляют 120 и 30 мГн соответственно (соотношение 4:1);
- длительности накачки для обоих накопителей энергии (100 мкс) одинаковы;
- подэлектродный импеданс для каждого электрода имеет параметры:
p
R=47 кОм,
s
r=330 Ом,
С=60 нФ.
Для упрощения все подэлектродные импедансы (электрод-кожа-глубокие ткани) были приняты равными и неизменными. Фактически же они не являются ни равными, ни константными (см. выше эффект «двойного электрического слоя»).
На фиг. 8 обозначены:
- 34 и 35 - управляющие импульсы ключей 30 и 31 («1» - ключ замкнут, соответствующий накопитель находится в стадии накачки, «0» - ключ разомкнут, соответствующий накопитель находится в стадии свободных колебаний);
- 36 и 37 - напряжения на выходах вторичных обмоток 15 и 16 соответственно;
- 38 и 39 - напряжения на электродах 17 и 18 соответственно относительно глубоких тканей 33.
Эпюры напряжений на электродах 19 и 20 относительно глубоких тканей 33 не приводятся, поскольку, как видно из эпюр 36, 38 и 39, они соответствуют напряжению на выходе вторичной обмотки.
Период и длительности коммутации ключей выбраны таким образом, что свободные колебания каждого индуктивного накопителя успевают завершиться к моменту очередной стадии накачки. На фиг.8 хорошо видно, что использование различающихся индуктивностей индуктивных накопителей обеспечивает различие формы стимулов (в основном, на стадии свободных колебаний). Поскольку, как было указано ранее, индуктивности вторичных обмоток 15 и 16 отличаются в 4 раза, то, согласно известной формуле Томсона
период колебаний Т отличается в 2 раза, что хорошо видно на эпюрах 36 и 37 фиг. 8 - 400 и 200 мкс. Кроме того, вдвое отличаются и добротности контуров ударного возбуждения на их основе, которые рассчитывают по известной формуле
Это приводит к двукратному уменьшению числа свободных колебаний, что также хорошо видно на эпюрах 36 и 37 фиг.8: полных колебаний примерно 4 и 2 для вторичных обмоток 15 и 16 соответственно.
Из фиг. 8 также видно, что взаимное влияние между стимулами с разных индуктивных накопителей отсутствует. Это позволяет независимо управлять формой стимулов на выходе каждого накопителя.
Таким образом, управляя периодом следования, длительностью и последовательностью стадий накачки нескольких (идентичных и/или различных) индуктивных накопителей, а также синхронизацией работы отдельных накопителей, удается существенно изменять временную структуру стимулов, что обеспечивает значительное расширение возможностей стимуляции.
На фиг. 9 приведена функциональная схема электростимулятора при двух накопителях и трех электродах. Первые выводы вторичных обмоток 15 и 16 накопителей 13 и 14, как и на предыдущей схеме, подключены через раздельные электроды 17 и 19, а соединенные вместе вторые выводы обмоток подключены через общий электрод 18. Импедансы подэлектродных тканей так же, как и на фиг. 7, представлены тремя эквивалентами 22÷24.
На фиг. 10 приведены эпюры стимулов при тех же индуктивностях вторичных обмоток, длительностях накачек и подэлектродных импедансах, как и на фиг. 7. (Из-за значительного взаимного влияния выходов стимулятора друг на друга, изменены периоды следования стадий накачки.)
На фиг. 10 обозначены:
- 40 и 41 - управляющие импульсы ключей 30 и 31;
- 42 и 43 - напряжения на выходах вторичных обмоток 15 и 16 соответственно;
- 44 и 45 - напряжения на электродах 17 и 19 соответственно относительно глубоких тканей 33;
- 46 - напряжение на общем электроде 18 относительно глубоких тканей 33.
Из фиг. 10 видно, что при использовании трехэлектродного подключения двух индуктивных накопителей происходит значительное взаимовлияние стимулов. При этом влияние на выход накопителя с большей индуктивностью со стороны накопителя с меньшей более заметно и наоборот. Взаимовлияние накопителей с равными индуктивностями будет зависеть от подэлектродных импедансов каждого электрода.
Управляя параметрами стимулов каждого накопителя можно добиваться не только различных эффектов изменения формы стимулов от взаимовлияния накопителей, но и существенного изменения формы стимулов на общем электроде.
Управляя полярностью стимулов, например, коммутацией первичных или вторичных обмоток накопителей, можно, в частности, добиться практически полного отсутствия напряжения на общем электроде.
Функциональная схема выходных цепей электростимулятора для этого примера отличается от схемы на фиг. 9 изменением полярности подключения вторичной обмотки 16 накопителя 14. Измененная часть приведена на фиг. 11.
Эпюры стимулов для такого включения приведены на фиг. 12, где обозначены:
- 47 и 48 - управляющие импульсы ключей 30 и 31;
- 49 и 50 - напряжения на выходах вторичных обмоток 15 и 16 соответственно;
- 51 и 52 - напряжения на электродах 17 и 19 соответственно относительно глубоких тканей 33;
- 53 - напряжение на общем электроде 18 относительно глубоких тканей 33.
При моделировании электростимулятора по схеме фиг. 11 были внесены следующие отличия от схемы по фиг. 9:
- для полной компенсации напряжения на общем электроде, индуктивности вторичных обмоток накопителей выбраны идентичными и равными 30 мГн;
- управляющие импульсы ключей 30 и 31 (накачки) установлены таким образом, чтобы получить на одном комплекте эпюр и одновременные и раздельные разнополярные стимулы.
Результат одновременного действия разнополярных стимулов выделен рамкой 54. На эпюрах 49 и 50 видна противоположная полярность стимулов, формируемых накопителями 13 и 14, а на эпюре 53 - нулевое напряжения на общем электроде во время действия разнополярных стимулов.
Таким образом, при трехэлектродном подключении двух индуктивных накопителей, управляя параметрами накачки, также можно существенно изменять временную структуру стимулов, что обеспечивает значительное расширение возможностей стимуляции и для такого подключения.
Дальнейшее расширение возможностей управления пространственно-временной структурой стимулов обеспечивает последовательное включение двух или более вторичных обмоток индуктивных накопителей при работе на одну пару электродов.
Проиллюстрируем результат последовательного включения индуктивных накопителей для N=2.
Функциональная схема выходных цепей электростимулятора для этого примера отличается от схемы на фиг.9 изменением полярности подключения вторичной обмотки 16 накопителя 14 и последовательным соединением вторичных обмоток накопителей. Соответственно, используются лишь 2 электрода 17 и 18 с эквивалентами подэлектродных импедансов 22 и 23. Измененная часть приведена на фиг.13. Индуктивности вторичных обмоток 15 и 16, как и в схеме на фиг. 9, составляют 120 и 30 мГн соответственно.
Эпюры стимулов для такого включения приведены на фиг. 14, где обозначены:
- 55 и 56 - управляющие импульсы ключей 30 и 31;
- 57 - напряжение на выходе стимулятора, то есть, между электродами 17 и 18;
- 58 и 59 - напряжения на электродах 17 и 18 соответственно относительно глубоких тканей 33.
На эпюрах фиг. 14 видно, что вторичные обмотки накопителей дают стимулы противоположных полярностей, причем взаимовлияние выходов обмоток максимальное. Таким образом, представленные выше иллюстрации демонстрируют, что:
- вторичные обмотки с разделенными выводами позволяют практически независимо управлять формами стимулов;
- вторичные обмотки с общим(и) выводам(и) позволяют «смешать», усилить взаимодействие/взаимовлияние стимулов;
- последовательное соединение катушек обеспечивают максимальное взаимодействие/взаимовлияние стимулов.
Ни один из аналогов не позволяет управлять индуктивностью контура ударного возбуждения. Такое управление заявлено в прототипе, но в описании и формуле ошибочно указана коммутация первичной обмотки индуктивного накопителя, которая не может влиять на свободные колебания во время второй стадии.
Предлагаемый же способ предусматривает дополнительную возможность управления пространственно-временной структурой стимулов путем коммутации обмоток индуктивных накопителей. Используя механические или электронные ключи, можно изменять взаимные соединения вторичных обмоток и подключение к ним электродов. Например, можно изменять полярность подключения обмоток, как это представлено на схемах фиг. 9 и фиг. 11. Такую коммутацию можно проводить, в том числе и оперативно - при формировании последовательности стимулов. (В силу тривиальности решения иллюстрация не приводится).
Также, при наличии нескольких выводов у вторичной обмотки, либо нескольких вторичных обмоток, можно коммутировать их, в том числе и оперативно, управляя временной структурой стимулов изменением индуктивности накопителя.
Для практического применения аппаратов с несколькими индуктивными накопителями можно использовать соответствующее количество (от 2 до 2N) раздельных монополярных электродов. Установив их на протяженные зоны иннервации и соответствующим образом управляя накачкой индуктивных накопителей, осуществляют распределенное сочетанное воздействие с управляемой пространственно-временной структурой стимулов. Для повышения эффективности воздействия часть электродов размещают на выбранных зонах кожной поверхности, а другую часть электродов последовательно устанавливают либо передвигают по коже. Практически же один оператор (врач или сам пациент) может перемещать только один или два электрода.
Все или часть из указанных электродов (от 2 до 2N) могут быть объединены в один или несколько компактных локальных мультиэлектродов, часть из которых, так же, как и монополярные, размещают на выбранных зонах кожной поверхности, а другую часть последовательно устанавливают либо передвигают по коже. Практически для перемещения используют также один или два электрода.
На фиг. 15÷22 приведено несколько вариантов конфигурации локальных мультиэлектродов. Белым цветом изображены проводящие (металлические) части, черным - изолятор.
На фиг. 15 изображен вид простейшего биполярного (парного, двойного) коаксиального локального электрода, в котором обозначены:
- 60 - первый электрод пары;
- 61 - второй электрод пары.
На фиг. 16 и 17 изображены варианты биполярного электрода с двумя и тремя линейными проводящими частями. Обозначения те же, что и на фиг. 15. На фиг. 17 верхний и нижний электроды соединены между собой изнутри аппарата и являются одним и тем же полюсом электрода.
Обычно встроенные в стимулятор электроды выполняют согласно фиг. 15 или 17. Любой из этих трех вариантов биполярного электрода может использоваться совместно с электростимулятором по фиг. 13.
На фиг. 18 изображен трехполярный коаксиальный локальный электрод, в котором
- 62 - первый электрод;
- 63 - второй электрод;
- 64 - общий электрод.
На фиг. 19 и 20 изображены варианты трехполярного электрода. Обозначения те же, что и на фиг. 18.
Мультиэлектроды по фиг. 18, 19 и 20 могут использоваться совместно с электростимуляторами по по фиг. 9 и фиг. 11.
На фиг. 21 и 22 изображены два варианта квадрополярного (счетверенного) локального мультиэлектрода, в котором
- 65 - первая пара электродов;
- 66 - вторая пара электродов.
Квадрополярный локальный мультиэлектрод обеспечивает, например, подключение стимулятора, выполненного по схеме фиг. 7.
Во всех случаях возможно иное распределение электродов.
Локальные мультиэлектроды фиг. 16÷22 обеспечивают одновременное воздействие стимулами с различной формой практически на одну и ту же зону. Распределенные электроды обеспечивают такое воздействие на протяженные зоны. При одновременном разнонаправленном воздействии на рефлекторные зоны, относящиеся к симптической и парасимпатической системам, возможно достижение суперсуммарного эффекта.
Известно (Я.З. Гринберг, Об одном эффекте СКЭНАР-воздействия. Известия ТРТУ №6, 2004, - С. 100-105, Я.З. Гринберг, Еще раз об особенностях СКЭНАР-воздействия. Известия ТРТУ №11, 2006, - С. 144-147), что вибрация (звучание) кожи, вызванная высокоамплитудным воздействием, является важным физическим фактором, определяющим эффективность электровоздействия аппаратов СКЭНАР и подобных, использующий индуктивный накопитель энергии. Относительно быстрый рост емкости двойного слоя после постановки электрода на кожу приводит к уменьшению амплитуды стимулов на электродах. Соответственно, уменьшается уровень вибраций, определяемый амплитудой воздействия. Поэтому для повышения эффективности воздействия в указанных работах предложено использовать сухие электроды и переставлять или перемещать их. Сказанное в полной мере относится и к моно- би- и мультиэлектродам, как компактным, так и распределенным.
Заявленный способ осуществляется следующим образом.
В соответствии с методическими рекомендациями и техническими возможностями конкретного аппарата устанавливают количество индуктивных накопителей энергии, структуру их соединения и количество электродов для воздействия. Затем выбирают способ воздействия (последовательная установка либо передвижение компактного электрода по коже, установка электродов в выбранных зонах кожной поверхности или их комбинация) и параметры стимулов (их количество и расстояние между ними в пачке, частота следования, модуляции и т.д.) для каждого из индуктивных накопителей энергии (независимых генераторов) вручную или автоматически. По индивидуальным ощущениям пациента устанавливают амплитуду воздействия. Воздействие реализуют стандартными методическими приемами, описанными в литературе и инструкциях по применению аппаратов СКЭНАР и им подобным.
Практическая реализация любого из описанных вариантов способа может быть выполнена с использованием основных функциональных и схемотехнических решений серийно выпускаемых аппаратов СКЭНАР, например, аппарата «СКЭНАР-1-НТ». Для нескольких индуктивных накопителей в виде автотрансформаторов потребуется взаимная гальваническая изоляция выходов накопителей, например, с раздельными источниками питания для каждого накопителя. Более удобным решением является использование трансформаторов вместо автотрансформаторов.
Ресурсов примененного в аппарате «СКЭНАР-1-НТ» микроконтроллера ATMega2561 достаточно для обеспечения управления, измерения и взаимной синхронизации работы двух индуктивных накопителей. При большем их числе потребуется использовать более мощные современные микроконтроллеры, например, ARM, имеющие в 10-30 раз большее быстродействие, богатую периферию и большую память. Остальные узлы стимулятора могут быть взяты непосредственно от аппарата СКЭНАР.
Предлагаемый способ обеспечивает существенное расширение функциональных возможностей электровоздействия, благодаря чему повышается его терапевтический эффект при оказании общерегулирующего воздействия и лечения широкого круга заболеваний, в том числе для обезболивания, ускорения заживления ожогов, переломов, а также при реабилитации после физических нагрузок и травм.