ЧРЕЗКОЖНЫЙ ЭЛЕКТРОНЕЙРОСТИМУЛЯТОР

Область техники
Полезная модель относится к бытовым, спортивным и медицинским электронейростимуляторам, а именно к черезкожным электронейро-стимуляторам (ЧЭНС), и может быть использована для создания комфорта, путем снятия болевых и других неприятных ощущений в бытовых условиях, повышения мышечного тонуса или релаксации мышц при спортивных занятиях, лечебно - профилактических и диагностических целях в медицинских учреждениях.
Уровень техники
Известно, что значительная часть населения регулярно или эпизодически испытывает те или иные болевые ощущения, которые не только снижают комфортность существования, а зачастую не позволяют осуществить трудовую и общественную деятельность или снижают производительность труда. Наиболее широко распространены боли неврологического характера, например, всем известный радикулит, травматические или послеоперационные боли. Для снятия болевого эффекта обычно используются медикаментозные препараты внутреннего употребления. Химическое действие этих препаратов кроме полезного эффекта всегда оказывает и вредное действие на организм.
В медицине давно разработаны альтернативные методы снятия болей с помощью воздействия электрическими импульсами. Устройства, с помощью которых в лечебных целях воздействуют на живой организм электрическими сигналами определенной формы, длительности и мощности, носят название электростимуляторов, электронейроадаптивных стимуляторов, а также черезкожных электронейростимуляторов (ЧЭНС). Используя эти устройства, воздействуя нейроподобным электрическим сигналом, можно регулировать и восстанавливать функциональное состояние организма: снимать болевые ощущения, зуд, «мурашки», чувство онемения, а также осуществлять сокращение мышц (электромассаж) и электроаукупунктуру.
Известные электростимуляторы /1, 2, 3/ представляют собой крупногабаритные устройства с широкими функциональными возможностями и пригодны для использования только в клинических условиях.
Известен электронейроадаптивный стимулятор следующего поколения /4/, в котором наряду с наличием источника питания, блока параметров стимулирующего сигнала, активного и пассивного электрода, блока индикации и ключевого усилителя с реактивной нагрузкой, содержится
микропроцессор, аналого-цифровой преобразователь, блок перестройки реактивной нагрузки микропроцессора. При этом, реактивная нагрузка ключевого усилителя содержит элемент перестройки, связанный с блоком перестройки реактивной нагрузки. Это устройство по сравнению с /1, 2, 3/ направлено на создание условий для согласования уровня стимулирующего сигнала с электрофизическими параметрами участка тела пациента, на который осуществляется воздействие.
Однако и это устройство /4/, обладающее более высокой эффективностью лечения и более широким диапазоном диагностических возможностей, может быть использовано только в клинических условиях.
Известен электростимулятор /5/, имеющий, по крайней мере, два стимулирующих электрода, электронный блок, включающий задающий генератор импульсов, источник постоянного тока, коммутатор частоты, программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), выполненную с возможностью перестройки логики посредством подключаемого к ее дополнительному входу персонального компьютера. К первому входу ПЛИС подключен задающий генератор импульсов, ко второму входу - пульт управления. Первый выход ПЛИС подключен к панели индикации, второй выход ПЛИС подключен к звуковому индикатору, третий и четвертый выходы ПЛИС подключены соответственно к первому и второму входу коммутатора частоты, выход которого через усилитель тока подключен к стимулирующим электродам. При этом все элементы электронного блока подключены к блоку питания, а стимулирующие электроды выполнены из эластичного токопроводящего материала, в частности из графитизированной токопроводящей ткани. В качестве ПЛИС использована микросхема типа "ALTTER", в частности "ALTTER" IPM 7128. Задающий генератор выполнен на базе микросхемы К1533ЛАЗО, обеспечивающей генерирование сигналов с частотой до 18 Мгц. Устройство /5/, как и /1, 2, 3, 4/ пригодно для использования только в клинических условиях.
В последние 2-3 года на рынке появились малогабаритные приборы, выпускаемые рядом зарубежных фирм, для индивидуальной черезкожной электронейростимуляции в домашних условиях. Эти приборы имеют существенно меньшие функциональные возможности, чем стационарные устройства, применяемые в клиниках. К тому же их применение создает пользователю неудобства, так как они выполнены в виде раздельных, соединенных длинными проводами частей: блока питания и наклеиваемых на тело электродов. Тем не менее, эти устройства присутствуют на российском рынке и активно раскупаются /6/.
Известно миниатюрное беспроводное черезкожное электрическое нейро - или мышечное стимулирующее устройство /7/. Устройство имеет корпус, подсоединяемый к большому количеству электродов. Электронный модуль, включающий в себя электрическую схему, расположен внутри
корпуса и посредством электродов передает последовательность монофазных или двухфазных импульсов в место локализации боли на теле пациента. Электроды могут быть съемными, разной формы и размеров. Пациент может выбирать и изменять силу, частоту и форму импульсов микротока, а также положение и количество электродов. Источник тока электронного модуля может быть объединен с электродами в один съемный блок. Устройство дистанционного управления может передавать сигналы приемнику, находящемуся внутри электронного модуля, позволяя, таким образом, пациенту программировать отдельные элементы устройства, размещаемые на теле пациента с целью воздействия на него заданной последовательностью импульсов. Электроды можно вделывать в шину, перевязочный материал, фиксирующее или иммобилизирующее приспособление, там, где провода или гибкие компоненты цепи осуществляют подсоединение электродов к устройству. Электроды можно компоновать в виде решетки (сетки), предусматривающей программирование соответствующего предписания, обеспечивающее более интенсивное терапевтическое воздействие в месте локализации боли.
Миниатюрный беспроводный черезкожный электронейро-стимулятор /7/, содержит размещенные в корпусе источник питания в виде литиевой батарейки, выполненной в форме таблетки, соединенный связанными друг с другом электродами в режиме управления и в режиме обратной связи, разъемом для подключения электродов, передающих импульсное напряжение к телу пациента, панель управления, клавиатуру, электронный блок, блок памяти, микропроцессор и жидкокристаллический дисплей. При этом один из выходов микропроцессора подсоединен к блоку памяти, другой к жидкокристаллическому дисплею, а третий к панели управления и клавиатуре. Этот прибор имеет практически те же функциональные возможности, что и стационарные устройства.
К недостаткам этого устройства следует отнести дороговизну и неудобство его применения из-за высокого энергопотребления, вызывающего частую смену дорогих литиевых батареек (расходуются 3-4 батарейки в сутки).
Последнее из описанных устройств, как наиболее близкое по технической сущности выбрано в качестве прототипа.
Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является создание ЧЭНС с пониженным энергопотреблением и обеспечение комфортности при ее использовании.
Техническим результатом является удешевление прибора и его обслуживания, приводящее к расширению использования в несколько раз.
Указанный технический результат в заявляемом устройстве достигается тем, что, в черезкожном электронейростимуляторе с размещенными в его
корпусе батарейным источником питания, микропроцессором, блоком памяти, жидкокристаллическим дисплеем, клавиатурой управления, электронным блоком формирования импульсного напряжения и разъемом для подключения электродов, передающих импульсное напряжение к телу пациента. Новым в ЧЭНС является то, что он снабжен блоками удвоения и стабилизации напряжения, выполненными с возможностью формирования постоянного напряжения, соответствующего номинальному напряжению источника питания, последовательно соединенными с источником питания и микропроцессором, ограничителями токов утечки, введенными в электронные цепи блока формирования импульсного напряжения, электронным блоком контроля напряжения источника питания, соединенным с микропроцессором, причем микропроцессор соединен с разъемом для подключения электродов и, независимо от команд, подаваемых на микропроцессор через клавиатуру, соединение электронного блока с источником питания возможно только при исправных и подключенных к разъему электродах. При этом батарейный источник питания выполнен в виде двух миниатюрных щелочных батареек, размещенных внутри корпуса прибора в боковых батарейных отсеках.
Введение блоков удвоения и стабилизации напряжения, выполненных с возможностью формирования постоянного напряжения, соответствующего номинальному напряжению источника питания, последовательно соединенных с источником питания и микропроцессором, позволяет обеспечить работоспособность микропроцессора при уменьшении напряжения батарейного источника питания вплоть до половины номинального и тем самым использовать практически всю энергию, запасенную в батарее.
Введение ограничителей токов утечки в электронных цепях блока формирования импульсного напряжения позволяет уменьшить энергопотребление устройства при режимах работы устройства на максимальных импульсных напряжениях на электродах.
Введение электронного блока контроля напряжения источника питания, соединенного с микропроцессором позволяет микропроцессору выработать и отобразить на жидкокристаллическом дисплее сигнал о необходимости замены батареи и тем самым повысить комфортность и эффективность использования устройства.
То, что микропроцессор соединен с разъемом для подключения электродов и, независимо от команд, подаваемых на микропроцессор через клавиатуру, соединение электронного блока с источником питания возможно только при исправных и подключенных к разъему электродах позволяет не расходовать энергию батареи на «холостом» ходу, когда воздействия стимулятора на пациента не происходит.
Выполнение батарейного источника питания в виде двух миниатюрных щелочных батареек позволяет снизить стоимость батареек и увеличить срок использования ЧЭНС без частой замены батареек.
На фиг.1 представлен внешний вид заявленной полезной модели, где 1 - корпус устройства, 2 - батарейные отсеки, 3 - разъем для подключения электродов, 4 - жидкокристаллический дисплей, 5 - клавиатура регулировки напряжения на электродах, 6 - клавиатура выбора режима.
На фиг.2 представлена блок схема заявленной полезной модели, где 1 - корпус устройства, 2 - батарейный источник питания, 3 разъем для подключения электродов, 4 - жидкокристаллический дисплей, 5 - клавиатура регулировки напряжения на электродах, 6 клавиатура выбора режима, 7 - микропроцессор с блоком памяти 8, 9 - блок удвоения напряжения с блоком стабилизации напряжения 10, 11 - электронный блок формирования импульсного напряжения, электронный блок контроля напряжения источника питания, 13 - электроды.
Заявленная полезная модель работает следующим образом. Перед началом работы в батарейные отсеки устройства ЧЭНС устанавливают две щелочные батарейки размера ААА с номинальным напряжением - 1.5 Вольта. В этом случае на выходе батарейного источника питания получается напряжение равное сумме напряжений на отдельных батарейках - 3 Вольта. Однократным нажатием на клавиатуру выбора режима 6 включают блок удвоения напряжения 9, на выходе которого формируется удвоенное напряжение - 6 Вольт, блок стабилизации напряжения 10, на выходе которого формируется напряжение - 3 Вольта. В результате осуществляют подачу номинального напряжения питания - 3 Вольта на микропроцессор 7, блок памяти 8, жидкокристаллический дисплей 4. При этом на электронный блок контроля напряжения источника питания 12 подается напряжение непосредственно с выхода батарейного источника питания 3 Вольта. Последующими нажатиями на клавиатуру выбора режима устанавливают необходимый режим воздействия, информация о котором хранится в блоке памяти 8. Информация о выбранном режиме воздействия отображается на жидкокристаллическом дисплее. Нажатием на клавиатуру регулировки напряжения на электродах устанавливают необходимую интенсивность воздействия. Информация об установленной интенсивности воздействия также отображается на дисплее. Затем, с помощью разъема для подключения электродов 3, устройство ЧЭНС подсоединяют к предварительно размещенным на теле пациента электродам 13. Микропроцессор определяет факт подключения электродов и их исправность и включает блок формирования импульсного напряжения 11. Блок формирования импульсного напряжения вырабатывает импульсы форма, длительность, порядок и частота следования, которых соответствует выбранному режиму воздействия. Эти электрические импульсы через электроды 13 воздействуют на тело пациента
и производят тот или иной полезный эффект. При необходимости можно изменять интенсивность и режим воздействия путем нажатия на клавиатуру 5, 6.
После подключения электродов и включения электронного блока формирования импульсного напряжения энергия, запасенная в батарейках, расходуется на создание токов в теле пациента и соответственно напряжение источника питания уменьшается. В прототипе при уменьшении напряжения батарейного источника питания до величины менее минимального напряжения питания микропроцессора - 2.8 Вольта, микропроцессор выключается, ЧЭНС прекращает работать и необходима замена батарейки. При этом оказывается, что израсходовано не более 15% энергии батарейки. В заявляемой полезной модели при даже уменьшении напряжения на источнике питания до 1.5 Вольта на выходе блока удвоения напряжения 9 и блока стабилизации напряжения 10 напряжение не становится менее 3 Вольт и микропроцессор, а следовательно, и все устройство ЧЭНС продолжает работать. При снижении напряжения ниже 1.5 Вольт электронный блок контроля напряжения источника питания 12 выдает эту информацию микропроцессору и информация о необходимости замены батарейки отображается на дисплее 4. Таким образом, в заявляемой полезной модели оказывается возможным использовать до 95% энергии запасенной в батарейках и тем самым увеличить более чем в 5 раз длительность работы устройства ЧЭНС без замены батареек.
В настоящее время изготовлен опытный образец заявляемой полезной модели (см. фиг.1.). Со следующими характеристиками:
Габаритные размеры: 60×40×10 мм
Масса (без батареек) 30 г
Количество режимов и комбинаций воздействия 120.
Максимальное напряжение на электродах до 100 Вольт
Величина шага изменения напряжения на электродах 5 Вольт.
Максимальный импульсный ток воздействия до 100 миллиампер
Длительность непрерывной работы устройства при максимальном токе воздействия 24 часа.
Проведенные испытания показали соответствие расчетных и измеренных характеристик прибора. Проведено сравнение длительности работы и частоты замены батареек в заявленной полезной модели и прототипе.
При работе в течение 24 часов для прототипа потребовалось закупить 6 литиевых батареек по цене 30 рублей за штуку. Тем самым расходы на обслуживание прототипа составили 180 рублей в сутки. Что не приемлемо для большинства пользователей в России.
При работе в течение 24 часов в том же режиме для заявленного устройства потребовалось закупить 2 щелочных батарейки по цене 15 рублей
за штуку. Тем самым расходы на обслуживание прототипа составили 30 рублей в сутки. Что уже сравнимо со стоимостью обезболивающих лекарственных препаратов и приемлемо для большинства пользователей в России. Благодаря этому заявляемая полезная модель найдет широкое применение для создания комфорта путем снятия болевых и других неприятных ощущений в бытовых условиях, повышения мышечного тонуса или релаксации мышц при спортивных занятиях, лечебно - профилактических и диагностических целях в медицинских учреждениях.
Источники информации:
1. Патент RU №2011386, М. кл. A 61 N 1/36, опубл. 30.04.1994 г.
2. Патент RU №2020980, М. кл. A 61 N 1/36, опубл. 15.10.1994 г.
3. Патент RU №2020981 по М. кл. A 61 N 1/36, опубл. 15.10.1994 г.
4. Патент RU №2162353 М. кл. A 61 N 1/36, опубл. 27.01.2001 г.
5. Свидетельство на полезную модель RU №24636, М. кл. A 61 N 1/36, опубл. 20.08.2002 г.
6. Приборы производства РЦ APT (г.Екатеринбург), http//trinity sweh.ru/~densshm/device htm, 19.04.2004 г.
7. Патент US №6445955, М. кл. A 61 N 1/08, опубл. 03.02.2002 г.