ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯТОР
ELECTRIC CARDIAC PACEMAKER

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для электротерапии диадинамическими и модулированными токами различной формы, частоты, скважности и способа модуляции.
Известен ряд устройств для физиотерапии: «СНИМ-1» [Аппарат для низкочастотной терапии синусоидальными модулированными импульсами СНИМ-1. Паспорт], Тонус-2М [Аппарат для низкочастотной терапии синусоидальными модулированными импульсами Тонус-2М. Паспорт], «ДТ-50» [Аппарат для лечения диадинамическими токами «ДТ-50» Паспорт].
Все они содержат:
- выпрямитель, формирующий последовательность синусоидальных импульсов частоты 50 Гц (однополупериодное выпрямление) и 100 Гц (двухполупериодное выпрямление),
- модулятор, обеспечивающий модуляцию тока коротким периодом, модуляцию длинным периодом однотактный волновой ток и двухтактный волновой ток, которые модулируются не только по частоте, но и по амплитуде,
- формирователь, формирующий экспоненциальный спад синусоидальных импульсов с частотой 50 и 100 Гц,
- коммутатор видов тока, обеспечивающий чередование тока в соответствии с заданным режимом модуляции,
- формирователь интервалов модуляции, обеспечивающий требуемые интервалы чередования частот,
- тактовый генератор, определяющий дискретность интервалов модуляции,
- регулятор выходного тока, обеспечивающий необходимый уровень тока,
- выходные электроды, накладываемые на пациента
[Ливенсон А.Р. Электромедицинская аппаратура, 5 изд., перераб. - М.: Медицина, 344 с.].
К недостаткам указанных аппаратов относятся ограниченные функциональные возможности, низкая безопасность стимуляции, связанная с отсутствием токовой защиты, большой вес и габариты, сложность устаревших схемотехнических решений, обусловленных только аналоговой (без применения цифровых методов) реализацией заложенных режимов работы.
Другим недостатком является отсутствие синхронизации переключения основных режимов работы с сердечным ритмом пациента, что снижает эффективность лечения и переносимость физиотерапевтической процедуры.
Известна система биосинхронизации физиотерапевтических и деструктивных процессов воздействий, содержащая датчик пульса, подключенный через первый усилитель к входу первого узла управления, выход которого соединен с управляющим входом первого коммутатора, датчик дыхания, подключенный через второй усилитель к входу второго узла управления, выход которого соединен с управляющим входом второго коммутатора, причем первый и второй коммутаторы включены в последовательную цепь между выходом источника физиотерапевтического или деструктивного процесса воздействия и объектом воздействия или выполнены с возможностью последовательного перекрытия или отклонения потока физиотерапевтического или деструктивного процесса воздействия с помощью соответствующего механического прерывателя или шторки [Патент РФ N2186584, кл. A61N 1/00, A61B 17/00, «Система биосинхронизации физиотерапевтических и деструктивных процессов воздействия»].
Устройство обеспечивает синхронизацию основных режимов работы с биоритмами пациента, однако имеет сложное схемотехническое решение, обусловленное прежде всего использованием чисто аппаратной реализации, и не предусматривает возможность оперативного (программного) изменения формы сигналов и низкочастотной огибающей.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является электростимулятор, содержащий микропроцессорный блок управления, три цифроаналоговых преобразователя, связанные с шиной управления микропроцессорного блока и предназначенные для формирования сигналов воздействия, их амплитудной и смешанной модуляции, многоканальный коммутатор аналоговых сигналов, выходы которого связаны с входами суммирующего усилителя, а входы - с выходами первых двух цифроаналоговых преобразователей и с выходом инвертора полярности, выход третьего цифроаналогового преобразователя связан с входом управления регулируемого сопротивления, подключенного в цепь управления амплитудой сигнала на выходе суммирующего усилителя, выход которого связан с входом усилителя мощности, связанного с входом узла блокировки, с входом блока начально-токовой защиты и входом двухпозиционного ключа, вход которого соединен с выходом логического инвертора, нормально-замкнутый контакт ключа соединен с выводом резистора, нормально-разомкнутый контакт - с анодом-электродом, катод-электрод соединен с другим выводом резистора и входом блока максимально-токовой защиты, выход которого подключен к шине начальной установки микропроцессорного блока управления [Патент РФ N2121380, кл. A61N 1/36, «Электростимулятор»].
Достоинством устройства является возможность оперативного изменения формы сигналов стимуляции и повышенный уровень безопасности пациента, обеспечиваемые за счет использования программно-аппаратных средств.
Недостатком устройства является отсутствие синхронизации переключения основных режимов работы с сердечным ритмом пациента, что снижает эффективность физиотерапии.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности электростимуляции за счет синхронизации моментов переключения основных режимов работы с сердечным ритмом пациента.
Сущность изобретения заключается в том, что в электростимулятор, содержащий микропроцессорный блок управления, три цифроаналоговых преобразователя, выход первого из них соединен с первым входом многоканального аналогового коммутатора, выход второго - со вторым его входом и через инвертор - с третьим, выход третьего преобразователя соединен с входом управления управляемого резистора, включенного в цепь обратной связи усилителя-сумматора, три входа которого соединены с выходами многоканального коммутатора, а выход с входом усилителя мощности, выход которого подключен к электродам воздействия, входы управления цифроаналоговыми преобразователями и аналоговым коммутатором подключены к шинам микропроцессорного блока управления, введены три дополнительных счетчика/таймера, соединенные через шины управления с микропроцессорным блоком управления, счетные входы двух первых счетчиков/таймеров подключены через усилитель и схему гальванической развязки к датчику сердечных ритмов, счетный вход третьего счетчика/таймера подключен к источнику системного тактового генератора микропроцессорного блока управления.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства. Устройство содержит микропроцессорный блок управления (МБУ) 1, три цифроаналоговых преобразователя 2, 3, 4, связанные с микропроцессорным блоком управления 1 через шины I, II, IV, инвертор полярности 5, многоканальный коммутатор аналоговых сигналов 6, связанный с микропроцессорным блоком управления 1 через шину III, усилитель-сумматор 7, управляемый резистор 8, усилитель мощности 9, электроды воздействия 10, датчик сердечного ритма 11, устройство гальванической развязки 12, усилитель/формирователь сигнала датчика сердечных ритмов 13, два программируемых счетчика/таймера (С/Т) 14, 15, счетные входы которых соединены с выходом усилителя/формирователя сигналов датчика сердечных ритмов 13, третий счетчик/таймер 16, на счетный вход которого подаются тактовые сигналы системного генератора МБУ 1, все счетчики/таймеры связаны с микропроцессорным блоком управления через шины программирования режима работы таймеров/счетчиков и контроля их состояния V, VI, VII.
Устройство работает следующим образом.
cт
Задание конкретного вида стимулирующего тока I, так же как и в прототипе, определяется совокупностью различных параметров: частотой, формой, наличием частотной, амплитудной или смешанной модуляции, и осуществляется в соответствии с программой, хранящейся в резидентной памяти МБУ.
В отличие от прототипа воспроизведение этих параметров происходит согласованно с частотой сердечного ритма, а не с независимой стабильной частотой, формируемой МБУ. Импульсы сердечных сокращений снимаются с датчика сердечного ритма 11, через устройство гальванической развязки 12, обеспечивающей защиту пациента от поражения сетевым напряжением при аварийных режимах, усиливаются усилителем/формирователем 13, обеспечивающим надежность работы цифровых устройств, и подаются на входы двух дополнительных счетчиков/таймеров 14, 15, первый из которых формирует последовательность временных интервалов, определяющих длительность воздействия сигналов заданной формы в соответствии с выбранным режимом, второй счетчик/таймер обеспечивает измерение периода следования сердечного ритма, необходимое для коррекции длительности тактов дискретизации выбора информации с цифроаналоговых преобразователей 3 и 4, формирующих сигналы модуляции импульсов воздействия.
Выбор режима работы осуществляется врачом. Для каждого режима МБУ определяет область резидентной памяти, в которой хранится цифровой образ формы сигналов воздействия, реализуемых с помощью цифроаналоговых преобразователей, и временные интервалы, через которые производится смена формы сигналов воздействия.
В качестве примера рассмотрим формирование трех видов тока воздействия, характерных для электротерапии диадинамическими токами [Ливенсон А.Р. Электромедицинская аппаратура. - М.: Медицина], а именно ритм Синкопа (фиг.2а), однотактного волнового без амплитудной модуляции (фиг.2б) и с амплитудной модуляцией (фиг.2в).
Классический режим ритм Синкопа характеризуется периодической сменой импульсных сигналов воздействия с периодом 2 сек. в первом полупериоде подается пачка импульсов заданной формы (чаще всего с экспоненциальным спадом), формируемой первым цифроаналоговым преобразователем, выход которого с помощью аналогового коммутатора подключается к первому входу суммирующего усилителя, выходы второго и третьего цифроаналоговым преобразователя обнулены, а во втором сигнал воздействия снимается. В прототипе временные интервалы формируются от независимого тактового генератора и не связаны с длительностью сердечных ритмов.
В предлагаемом устройстве длительность полупериода, равная периоду сердечного ритма, задается счетчиком/таймером 14. В режиме ритм Синкопа он программируется на работу с коэффициентом пересчета 1. Интервалы дискретизации сигнала с выхода первого цифроаналогового преобразователя формируются с использованием частоты ft внутреннего системного тактового генератора МБУ.
При режиме однотактного волнового режима (фиг.2б) период воздействия разбивается на два неравных временных интервала. В первый интервал длительностью n1T формируется пачка импульсов заданной формы, формируемой первым цифроаналоговым преобразователем и промодулированной низкочастотным сигналом огибающей, форма которой задается вторым ЦАП. Во втором временном интервале n2T сигналы воздействия снимаются.
П
П
П
Так же как и в предыдущем случае, в прототипах все временнее интервалы задаются в секундах. В рассматриваемом устройстве временные интервалы определяются количеством периодов сердечных сокращений. Первый интервал определится как n1T, а второй - как n2T, где T - период сердечного ритма. Соответственно, в начале счетчик/таймер 2 программируется с помощью МБУ на коэффициент пересчета n1, а после окончания первого интервала перепрограммируется на коэффициент пересчета n2. В течение первого интервала на первый вход суммирующего усилителя подается через аналоговый коммутатор стимулирующие импульсы, формируемые первым ЦАП, а на второй его вход - напряжение огибающей. Суммирование этих двух сигналов обеспечивает требуемую форму сигнала воздействии. Форма огибающей задается вторым ЦАП, которая определяется совокупностью N кодовых комбинаций, записанных в резидентную память МБУ которые считываются при формировании требуемого сигнала. Период дискретизации отсчетов можно определить как
П
Δt=n1T/N.
П
Как видно из приведенной формулы, при использовании периода сердечного ритма, величина которого не является постоянной, для формирования периода дискретизации необходимо измерение значения T, для чего в предлагаемое устройство введен второй таймер (15). Полученное значение вводится в третий счетчик/таймер (16), который и будет формировать требуемый период дискретизации
П
СТ
Δt=n1T/N=(N)·(1/ft),
CT
откуда число N, загружаемое в регистр сравнения С/Т3 для обеспечения требуемого времени дискретизации при заданном числе отсчетов N определится как
CT
П
N=(n1T/N)·ft.
6
П
CT
Так при тактовой частоте ft=10·10 Гц, для n1T=6 с в счетчик сравнения потребуется N=60000.
Таким образом, введение второго и третьего счетчика/таймера обеспечило независимость числа дискретных отсчетов от изменения периода сердечного ритма.
Для формирования сигналов с использованием амплитудной модуляции (рис.2в) для формирования огибающей используется третий ЦАП, выход которого через аналоговый коммутатор подается на вход регулятора амплитуды.
Устройство практически может быть реализовано на базе современных микроконтроллеров, что обеспечивает реализацию на одном кристалле всех программируемых узлов устройства, включая шины управления, показанные на фиг.1.
Все программируемые узлы устройства (цифроаналоговые преобразователи, счетчики/таймеры, шины управления), показанные на фиг.1, могут быть реализованы на одном кристалле современного микроконтроллера, например STM32F37x, с микропроцессорным ядром (МБУ) ARM™-Cortex-M4, с тремя встроенными цифроаналоговыми преобразователями и семнадцатью 16- и 32-разрядными счетчиками/таймерами.
С целью сравнения результатов лечения прибором «Тонус-1» с результатами лечения с использованием предложенного прибора были отобраны 2 группы пациентов с диагнозом: вертеброгенная цервикалгия. Каждая группа состояла из 20 чел. (10 мужчин от 32-65 лет и 10 женщин от 27-60 лет).
В обеих группах использовали методику с наложением 2-х симметричных электродов на воротниковую зону. Анод накладывали на зону с большей болевой чувствительностью, катод - симметрично с противоположной стороны. Датчик сердечного ритма надевали на палец пациента. Продолжительность процедуры - 7 мин, по одной процедуре в день, количеством - 10 процедур, с силой тока от 2 до 4 мА. Увеличение тока определяли индивидуально, на основании болевых ощущений пациента. Для объективности оценки результата и определения психоэмоционального состояния пациентов в контрольной группе (лечение прибором «Тонус-1») и в опытной группе (лечение предлагаемым устройством) использовали опросник симптомов Хопкинса, опросник DN-4, шкалу самооценки и тревоги Ч. Спилберга, опросник Бека; для оценки боли - комплексный болевой опросник, шкалу пятибалльной оценки вертеброневрологической симптоматики.
При обследовании пациентов в начале лечения отмечался болевой синдромом - 70-80% по визуальной аналоговой шкале оценки боли, ограничение угла разгибания и сгибания в шейном отделе позвоночника 45-50 градусов, угол бокового наклона - 20 град, угол поворота - 50 град.
После лечения с использованием прибора «Тонус-1» болевой синдром снизился до 40-50%, восстановление угол разгибания и сгибания 55-65 град, угол наклона - 25 град, угол поворота 60 град.
В группе мужчин и женщин результат не отличался.
После лечения с использованием предлагаемого устройства лечения болевой синдром снизился до 10-20%. Эффект на 45% выше, чем в 1-м исследовании, восстановление разгибания и сгибания в шейном отделе позвоночника угол 75-80 град. На 25-30 град больше, чем в 1-м исследовании. Угол бокового наклона 35 град (на 15 град больше, чем при 1-м лечении), поворот 70-75 град (также на 15 град больше, чем в первом лечении).
В женской группе отмечался эффект лечения на 15% выше, чем мужской за счет более мягкого воздействия прибора.
Таким образом, в результате биосинхронизации, примененной в лечении предлагаемым устройством, переносимость пациентами процедур была значительно выше, чем при лечении прибором «Тонус-1», что позволило сократить продолжительность лечения и повысить терапевтический эффект на 15-40%. При втором исследовании была набрана группа с диагнозом: дорсопатия, вертеброгенная люмбалгия (боли в поясничном отделе позвоночника). Применялась идентичная методика лечения, описанная выше, но с наложением электродов на поясничную область. После проведенного курса лечения у пациентов отмечалось снижение болевого синдрома до 65-75% от исходного, увеличение подвижности в поясничном отделе при повороте туловища с фиксацией таза и ног на 15-20 град от исходного. Эффект синхронизации импульсов тока с сердечным ритмом пациента позволил обеспечить необходимый баланс симпатического и парасимпатического тонуса нервной системы, что способствует повышению эффективности процедур.