CZ304960B6

CZ304960B6 - Elektroterapeutický mikrostimulátor

Info

Publication number: CZ304960B6
Application number: CZ2013-1068A
Authority: CZ
Inventors: Marie Tobolová; Milan Chmelař; Zdeněk Řezníček
Original assignee: Vysoké Učení Technické V Brně; Zdeněk Řezníček
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2013-12-23
Publication date: 2015-02-04
Also published as: CZ20131068A3

Abstract

Elektroterapeutický mikrostimulátor obsahuje první hradlový obvod (D), na jehož první vstup (D1) je připojen monostabilní klopný obvod (C) s připojeným astabilním klopným obvodem (B), a na jehož druhý vstup (D2) je připojen generátor (A), přičemž výstup prvního hradlového obvodu (D) je propojen s druhým hradlovým obvodem (E), na jehož výstup je přes spínač (F) připojen impulzový transformátor (G). Pracovní obvody mikrostimulátoru (A, B, C, G) jsou připojeny na zdroj (ZD), opatřený světelnou signalizací (LED1) nízkého napětí, (LED2) nabíjení a (LED3) činnosti zařízení.

Description

Elektroterapeutický mikrostimulátor

Oblast techniky

Vynález se týká elektroterapeutického mikrostimulátoru využívajícího mikroimpulzní stimulaci k prokrvení a k léčbě otoků způsobených lehčími úrazy.

Dosavadní stav techniky

Postavení elektroterapie a elektrostimulace je v porovnání s ostatními metodami fyzikální terapie zcela výjimečné. Jejich použití totiž zdaleka nekončí např. jen rehabilitací, nýbrž má obrovský význam pro diagnostiku, léčbu a v neposlední řadě výzkum.

V současné době se pro elektroléčbu používají nejrůznější tvary impulzů, přičemž ve většině případů slouží k potlačení bolesti. Jde převážně o impulzy s nízkou nosnou frekvencí, které při nízké hodnotě intenzity obtížně pronikají tkání a naopak při vyšší frekvenci dochází k psychickým otřesům a to převážně u léčené zvěře. Často rovněž dochází k nežádoucí adaptaci tkání, což je přítomné u všech dosud známých elektroterapeutických metod.

Jinou nevýhodou stávajících parametrů stimulačních impulzů je náročná konstrukce přístroje, která vyžaduje velkou indukčnost primárního vinutí impulzového transformátoru.

Cílem vynálezu je představit elektroterapeutický mikrostimulátor, jež by výše zmíněné nevýhody potlačil, zefektivnil elektroterapeutickou metodu léčení a umožnil zmenšení konstrukce a tím i snížení ceny elektroterapeutických generátorů impulzů.

Podstata vynálezu

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry elektroterapeutický mikrostimulátor spočívající vtom, že obsahuje první hradlový obvod, na jehož první vstup je připojen monostabilní klopný obvod s připojeným astabilním klopným obvodem, a na jehož druhý vstup je připojen generátor, přičemž výstup prvního hradlového obvodu je propojen s druhým hradlovým obvodem, na jehož výstup je přes spínač připojen impulzový transformátor.

Ve výhodném provedení je monostabilním klopným obvodem jednočipový mikrokontroler.

V jiném výhodném provedení dále obsahuje světelnou signalizaci nízkého napětí, světelnou signalizací nabíjení a světelnou signalizaci činnosti zařízení.

Objasnění výkresů

Vynález bude dále přiblížen pomocí výkresů, kde obr. 1 představuje zjednodušené blokové schéma mikrostimulátoru podle vynálezu, obr. 2 představuje zobrazení stimulačního impulzu vytvořeného mikrostimulátorem podle vynálezu, obr. 3a představuje zobrazení časového průběhu impulzu na výstupu z generátoru, obr. 3b představuje zobrazení časového průběhu impulzu na výstupu z monostabilního klopného obvodu, obr. 3c představuje zobrazení časového průběhu impulzu na výstupu z astabilního klopného obvodu, obr. 3d představuje zobrazení časového průběhu impulzu na výstupu z impulzního transformátoru a obr. 4 představuje konkrétní provedení vnitřního zapojení mikrostimulátoru podle vynálezu.

- 1 CZ 304960 B6

Příklad uskutečnění vynálezu

Na obr. 1 je představeno blokové schéma mikrostimulátoru podle vynálezu sestávající ze tří klopných obvodů, kterými je generátor A, astabilní klopný obvod B, monostabilní klopný obvod C, a dále ze dvou hradlových obvodů D a E, spínače F a impulzového transformátoru G. První hradlový obvod D je opatřen prvním vstupem Dl prvního hradlového obvodu D, druhým vstupem D2 prvního hradlového obvodu D a výstupem D3 prvního hradlového obvodu D. Druhý hradlový obvod E je opatřen prvním vstupem El druhého hradlového obvodu E, druhým vstupem E2 druhého hradlového obvodu E a výstupem E3 druhého hradlového obvodu E.

Jak je zobrazeno na obr. 1, k prvnímu vstupu Dl prvního hradlového obvodu D je přes monostabilní klopný obvod C připojen astabilní klopný obvod B a k druhému vstupu D2 prvního hradlového obvodu D je připojen generátor A impulzů, vytvářející řadu impulzů s frekvencí 100 kHz, které jsou na základě požadovaných parametrů výsledného impulzu, tj. frekvence a šířky, nastavených klopnými obvody B a C prvním hradlovým obvodem D ořezány.

Výstup D3 prvního hradlového obvodu D je připojen na vstupy El a E2 druhého hradlového obvodu E, který výstup prvního hradlového obvodu D invertuje a přivádí přes výstup E3 druhého hradlového obvodu D na spínač F, který řídí přenos impulzů do primárního vinutí impulzního transformátoru G.

Na základě teorie kumulace podprahových impulzů vytváří mikrostimulátor podle vynálezu stimulační impulz X představený na obr. 2. Ten sestává z množství menších dílčích impulzů X' definujících jednu salvu podprahových impulzů. Jednu salvu podprahových stimulačních impulzů X je možno chápat jako obdobu jednoho stimulačního impulzu při klasické elektroterapii. Intenzitu stimulačního impulzu X je možné měnit počtem dílčích impulzů X', jež mají několikanásobně vyšší kmitočet než výsledné stimulační impulzy X.

Tvary impulzů naměřených na jednotlivých prvcích obvodu mikrostimulátoru podle vynálezu jsou zobrazeny na obr. 3a až 3d.

Obr. 3a představuje průběh signálu Xa generovaného astabilním klopným obvodem B a vstupujícího na vstup monostabilního klopného obvodu C. Na výstupu z monostabilního klopného obvodu C je vygenerován signál Xb popsaný na obr. 3b, jehož doba trvání určuje počet impulzů X' signálu Xc na výstupu z generátoru A, viz obr. 3c, které mají být uplatněny pro vytvoření výsledného stimulačního signálu X zobrazeného na obr. 3d.

Mikrostimulátorem podle vynálezu je tedy vytvořena skupina impulzů jedné polarity s extrémně krátkou dobou trvání a vysokou amplitudou, řádově stovek voltů, opakující se s relativně malou opakovači frekvencí.

Konkrétní realizace vnitřního obvodu mikrostimulátoru podle vynálezu je zobrazena na obr. 4, který oproti zjednodušenému blokovému schématu zobrazenému na obr. 1 zahrnuje bateriový zdroj ZD napájení, jež je vnitřním zdrojem energie mikrostimulátoru. Může být tvořen dvěma dobíjitelnými akumulátory Gl, G2 se jmenovitým napětím 1,2 V. Časovači obvody a transformátor však potřebují mnohem vyšší napětí, než mohou uvedené akumulátory nabídnout. Z toho důvodu je v představeném provedení zařazen do obvodu vzestupný napěťový měnič IC5, který je schopen transformovat relativně nízké napětí bateriového zdroje na požadovanou hodnotu 9 V. Měnič IC5 zároveň zajišťuje stabilizaci napětí. K připojení konektoru adaptéru pro dobití bateriového zdroje ZD je v krytu přístroje vestavěna napájecí zástrčka NZ s rozpínacím kontaktem, který zamezí spuštění přístroje při dobíjení a je tak prevencí úrazu síťovým proudem.

Generátor A v představeném zapojení sestává z astabilně zapojeného časovače IC3 typu 555. Jak již bylo zmíněno výše, generátor A generuje řady impulzů s nosnou frekvencí např. 100 kHz. Cyklickým nabíjením a vybíjením kondenzátoru CIO získáme na výstupu přibližně obdélníkový

-2CZ 304960 B6 průběh napětí, tedy sekvenci impulzů se stanovenou šířkou a mezerou. K nastavení požadované hodnoty kmitočtu impulzů 100 kHz slouží regulační rezistory R12 a R13.

Astabilní klopný obvod B v představeném zapojení sestává z astabilně zapojeného časovače IC1 typu 555, upraveného pro možnost kontinuální změny poměru šířky impulzu vzhledem k šířce mezery, jímž bude výsledná frekvence výsledného stimulačního impulzu X určena. K nastavení minimální a maximální hodnoty kmitočtu, v představeném případě 0,5 Hz a 3 Hz, slouží regulační rezistory Rl a R2. Potenciometr R8 pak umožňuje nastavit libovolnou frekvenci z daného rozsahu.

Monostabilní klopný obvod C určený k nastavení šířky výsledné salvy stimulačního impulzu X sestává z astabilně zapojeného časovače IC2 typu 555 zapojeného v monostabilním režimu. V takovém případě pracuje monostabilní klopný obvod C jako jednorázový generátor, na jehož vstup je přivedeno definované prahové napětí. Šířka výstupního impulzu je určena hodnotami RC členů R4, R9 a C'7. Spínání astabilně zapojeného časovače IC2 je řízeno přes derivační RC člen výstupním signálem z předchozího astabilního klopného obvodu IC1, nastavujícího frekvenci impulzů. Šířka salvy je v představeném příkladu měnitelná v rozsahu 10 až 50 ps. Intenzitu stimulace lze plynule nastavit potenciometrem R9.

Možná obměna zapojení přístroje spočívá v naprogramování jednočipového mikrokontroléru, např. s označením Motorola Nitron, kterým by bylo zcela nahrazeno zapojení s časovači IC2 typu 555, a tím by se ještě zmenšily rozměry mikrostimulátoru.

Jako první hradlový obvod D, sloužící k realizaci salv z řady impulzů, je výhodně použit CMOSový integrovaný obvod typu HCF4011B, sestávající ze čtyř hradel typu NAND integrovaného obvodu IC4A typu NAND. Na vstup Dl hradlového integrovaného obvodu IC4A je přiveden výstup z časovače IC3. Pouze ve chvíli, kdy se na obou vstupech Dl a D2 objeví logická hodnota 1, tzn., že generovaný impulz je součástí salvy, vytvoří se na výstupu hradlového integrovaného obvodu IC4A logická 0. Pro správnou funkci tranzistoru TR zapojeného na konci obvodu mikrostimulátoru je však nutné tento výstup invertovat. K tomu je využito druhého hradlového obvodu E sestávajícího z integrovaného obvodu IC4B, který řídí spínač F sestávající ze spínacího tranzistoru TE a tím i přenos impulzů do impulzního generátoru G, tedy na primární vinutí jako transformátoru TR. Po transformaci napětí obdržíme na výstupních elektrodách sadu podprahových impulzů tvořících výsledný vysokonapěťový stimulační impulz X představený na obr. 2.

Představený příkladný obvod dále obsahuje světelnou signalizaci LEPÍ nízkého napětí, světelnou signalizaci LED3 nabíjení a světelnou signalizaci LED3 činnosti zařízení.

Představený mikrostimulátor podle vynálezu je výhodně použitelný v terapii zvířat, zvláště těch, která jsou lekavá a neklidná, a u nichž se můžeme setkat s těžce předvídatelnou reakcí na impulzní stimulaci. Typickými představiteli jsou např. koně. Důkaz pozitivního terapeutického účinku mikrostimulace byl získán v rámci studie sledující vliv mikrostimulace na redukci otoků končetin právě koní způsobených lehčími úrazy. Právě léčba otoků s podporou krevní cirkulaci úzce souvisí. Celkem bylo dokumentováno devět příkladů koní s akutním otokem jedné z končetin. Jednalo se o otoky způsobené lehčími úrazy, jako jsou distorze, kopnutí jiným koněm a tendinitidy. Bolestivé otoky v mnoha případech doprovázelo napadení na zraněnou končetinu, kulhání, či úplné odmítání chůze. Z krátkého posudku obrazové a videozáznamové dokumentace nezávislým veterinárním lékařem se usuzuje na analgetický a protizánětlivý účinek mikrostimulace. Na základě monitorování tepelných toků pomocí termodynamických senzorů byl statisticky prokázán fyziologický účinek mikrostimulace, spočívající v podpoře cirkulace krve stimulovanou oblastí končetiny. Elektrické impulzy ovlivňují permeabilitu cév, zvyšují mobilitu proteinů, krevních buněk a lymfy, a tím mohou značně urychlit absorpci edematické tekutiny.

Výhodou vysoké nosné frekvence je snadnější penetraci do poraněných tkání, což má výrazný analgetický účinek, přičemž významnou výhodou terapie je fakt, že stimulaci nedochází ke zjev-3 CZ 304960 B6 né adaptaci tkání, což je přítomné u všech dosud známých elektroterapeutických metod. Tyto impulzy se při praktických testech na zvířatech ukázaly nejen jako účinné, ale i jako velmi výhodné z hlediska vlastní konstrukce přístroje. Jejich použití totiž dovoluje snížení indukčností primárního vinutí impulzového transformátoru v přístroji, a tím i snížení počtu závitů primárního a sekundárního vinutí.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Elektroterapeutický mikrostimulátor, vyznačující se tím, že obsahuje první hradlový obvod (D), na jehož první vstup (Dl) je připojen monostabilní klopný obvod (C) s připojeným astabilním klopným obvodem (B), a na jehož druhý vstup (D2) je připojen generátor (A), přičemž výstup prvního hradlového obvodu (D) je propojen s druhým hradlovým obvodem (E), na jehož výstup je přes spínač (F) připojen impulzový transformátor (G).
2. Elektroterapeutický mikrostimulátor podle nároku 1, vyznačující se tím, že monostabilním klopným obvodem (C) je jednočipový mikrokontroler.
3. Elektroterapeutický mikrostimulátor podle nároku 1, vyznačující se tím, že je připojitelný na zdroj (ZD), obsahující světelnou signalizaci (LED1) nízkého napětí, světelnou signalizaci (LED3) nabíjení a světelnou signalizaci (LED3) činnosti zařízení.