ES2211742T3 - Aparato de estimulacion de cuerpos vivos. - Google Patents

Abstract

Aparato de estimulación de cuerpos vivos para aplicar un estímulo eléctrico a un cuerpo vivo, comprendiendo dicho aparato electrodos para aplicar una señal de estimulación a dicho cuerpo vivo y un generador de la señal de estimulación (8, 9, 10), estando dicho generador de la señal de estimulación adaptado para generar una señal de estimulación a partir de una señal periódica formada por pulsos de anchura predeterminada (t1), repitiéndose con una frecuencia de repetición predeterminada (1/T), comprendiendo dicha señal de estimulación grupos (S) de pulsos modulados en anchura de pulso, repitiéndose dichos grupos con dicha frecuencia predeterminada, teniendo cada grupo una anchura de tiempo igual a dicha anchura de tiempo predeterminada (t1), caracterizado porque cada grupo de pulsos incluye al menos dos pulsos modulados en anchura de pulso que tengan el mismo signo.

Description

Aparato de estimulación de cuerpos vivos.

La presente invención se refiere a un aparato de estimulación de cuerpos vivos, tal como un dispositivo electroterapéutico de baja frecuencia. Más en concreto, la presente invención atañe a un aparato estimulante del tipo que comprende un elemento conductor con un electrodo incorporado que puede conectarse a un cuerpo vivo. La estimulación se realiza por medio de una corriente eléctrica que fluye a través del electrodo hasta el cuerpo vivo.

En general, tal aparato de estimulación de cuerpos vivos se usa en el tratamiento de una función nerviosa en una parte enferma, al permitir que una corriente de pulsos de baja frecuencia fluya por la parte enferma, produciéndose dicha corriente de pulsos de baja frecuencia desde un transmisor hacia un electrodo. En la Publicación de Patente Japonesa No-Examinada Número 1-146562, por ejemplo, se describe un aparato de estimulación de cuerpos vivos que permite el control de la velocidad y de la intensidad de la estimulación, por medio de la conmutación de la salida de señales de estimulación desde un circuito de salida hasta un cuerpo vivo (o un cuerpo humano). Las señales de estimulación son o bien pulsos intermitentes de CC para producir periódicamente pulsos positivos, pulsos intermitentes de CA para producir periódicamente grupos de pulsos de onda rectangular que consisten en pulsos positivos y pulsos negativos, pulsos intermitentes alternantes para producir periódica y alternativamente pulsos positivos y pulsos negativos, cuyo periodo o amplitud pueden variarse. El documento US-A-5 097 833 muestra las características definidas en el preámbulo de la reivindicación 1.

Sin embargo, es muy difícil, por regla general, hacer pasar una corriente CC a través de un cuerpo humano, dado que éste posee una resistencia de aproximadamente 100 k\Omega, dependiendo del voltaje, mientras que una corriente CA de alta frecuencia fluye fácilmente a través de un cuerpo humano. Por ejemplo, un cuerpo humano muestra una resistencia de alrededor de 1 k\Omega bajo una corriente CA de 1 kHz, reduciéndose dicha resistencia a la mitad si la frecuencia se duplica. De otra forma, un cuerpo humano posee una impedancia capacitiva, y, por eso, la resistencia en vivo tiende a decrecer según la frecuencia se incrementa. Por otro lado, en lo que se refiere a la estimulación del cuerpo humano, las bajas frecuencias cercanas a la corriente continua y las ondas rectangulares que comprenden una elevada componente de CC son más estimulantes. Así pues, para la misma frecuencia, las ondas sinusoidales inducirán estímulos más suaves que las ondas rectangulares.

La Fig. 5 ilustra un ejemplo de un aparato convencional de estimulación de cuerpos vivos para aplicar a un cuerpo humano señales de estimulación que tengan la forma de ondas sinusoidales. Como se muestra, el número 101 designa una CPU (unidad central de proceso), como medio de control. La CPU produce señales de datos digitales que se convierten en señales de datos analógicas por medio del conversor D/A 102. Entonces, las señales de datos analógicas se amplifican por medio de un amplificador 103, para proporcionar señales de estimulación de onda sinusoidal entre los elementos conductores o los electrodos de salida 105, a través de un transformador 104. La amplitud de la onda sinusoidal se puede aumentar o disminuir por medio del funcionamiento de un elemento de ganancia variable 106 a la entrada del amplificador 103.

Aunque una onda sinusoidal induce una estimulación suave del cuerpo humano, comprende únicamente una componente de frecuencia, lo que conduce a un efecto terapéutico muy limitado. Además, el circuito de salida de tal aparato convencional requiere circuitos analógicos tales como el conversor D/A 102 y el circuito amplificador 103, que son necesarios para obtener una forma de onda sustancialmente sinusoidal. La cantidad de componentes es relativamente alta y la estructura del circuito es compleja, lo que conduce a una baja eficiencia de potencia. De otra forma, los circuitos convencionales que producen ondas sinusoidales requerirían docenas de componentes tales como transistores, resistencias y condensadores.

Es un objeto principal de la invención solucionar los problemas mencionados y proponer un aparato de estimulación de cuerpos vivos que proporcione amplios efectos terapéuticos mientras se aplican estímulos suaves al cuerpo vivo.

Para alcanzar los objetos anteriores, se propone un aparato de estimulación de cuerpos vivos según se define en las reivindicaciones adjuntas.

Otros objetos, características y ventajas de la invención serán patentes para aquellos expertos en la materia gracias a la siguiente descripción de las diversas realizaciones de la invención, en las que se hace referencia a los dibujos adjuntos, de los que:

la Fig. 1 es un diagrama de circuito que muestra un aparato de estimulación de cuerpos vivos de acuerdo con una primera realización de la invención;

la Fig. 2 es un diagrama de formas de onda que muestra formas de onda en diversos puntos del aparato de la Fig. 1;

la Fig. 3 es un diagrama de formas de onda de una señal de estimulación cuando una resistencia de prueba se conecta entre los electrodos de salida del aparato;

la Fig. 4 es otro diagrama de formas de onda de una señal de estimulación cuando los electrodos de salida del aparato se aplican sobre una cintura humana;

la Fig. 5 es un diagrama de circuito que muestra un aparato convencional de estimulación de cuerpos vivos.

En primer lugar, se describirá una estructura global de un aparato de la invención respecto a la Fig. 1. El número de referencia 1 designa una unidad de suministro de energía eléctrica estabilizada conectada a una fuente de CA y que proporciona un voltaje CC estable. En la realización, el voltaje de la fuente de CA de 100 V CA se convierte en voltajes de CC de +15 V CC y de +5 V CC respectivamente. El número de referencia 2 designa una CPU (unidad central de proceso) que sirve de medio de control, alimentada por dichos +5 V CC provenientes de dicha unidad de suministro de energía eléctrica estabilizada 1. La CPU recibe señales de reloj de referencia desde un oscilador de cristal 3. Como se conoce bien dentro de la técnica, la CPU 2 está integrada por un medio de entrada/ salida, un medio de procesamiento, un medio de memoria en el que se almacene la secuencia de control, siendo capaz dicha secuencia de control de generar patrones predeterminados de señales eléctricas de estimulación.

Una pluralidad de interruptores 4 están conectados a un puerto de entrada de dicha CPU 2 para seleccionar un modo de estimulación específico de entre varios modos de estimulación. Una pluralidad de LED 6 están conectados a un puerto de salida de dicha CPU 2 para mostrar qué modo de estimulación está activo en realidad. Además, al puerto de salida de la CPU 2 están conectados un LED de segmentos 7 como medio de visualización del tiempo para contar y mostrar el tiempo de estimulación, dos FET 9, 10 incluidos en el medio de generación de la señal de estimulación 8, y un circuito variable de salida 11 para variar la amplitud y el intervalo (pausa) de las señales de estimulación que se aplican a un cuerpo vivo. Por motivos de simplicidad, sólo se ilustra en la presente realización un LED de segmentos 7, pero se pueden conectar en paralelo dos o más LED de segmentos 7. Alternativamente, los anteriores LED 6 y el LED de segmentos 7 pueden ir integrados juntos en un medio de visualización LCD común.

El circuito variable de salida 11 está alimentado por el voltaje de CC de +15 V CC proporcionado por medio de la unidad de suministro de energía eléctrica estabilizada 1 y recibe señales de control desde la CPU 2, por ejemplo, la señal de control de estimulación fuerte (MARTILLO), la señal de ajuste de pausa de estimulación (INTERVALO), y la señal de inicio de estimulación (INICIO). El circuito 11 produce una señal de salida variable. Se proporciona una resistencia variable manejable manualmente 14 para ajustar el nivel de la señal de salida variable. La señal de salida variable se suministra al medio de generación de estímulos 8. Esta señal posee una forma de onda rectangular con frecuencia de repetición predeterminada y su amplitud se modula en el intervalo entre 0 V CC y +15 V CC.

El medio de generación de estímulos 8 somete la señal de salida variable procedente del circuito variable de salida 11 a una modulación de anchura de pulso. El generador de estímulos comprende FET 9, 10 que funcionan como medios de conmutación y un transformador 21, cuyas partes primaria y secundaria están aisladas entre sí. Más específicamente, el bobinado primario 22 del transformador 21 posee una conexión intermedia conectada al cable de la señal de salida variable de dicho circuito variable de salida 11, mientras el bobinado secundario 23 tiene sus extremos conectados a un par de electrodos de salida 24 que funcionan como elementos conductores. El drenador del FET 9, cuyo surtidor está puesto a masa, está conectado a un extremo del bobinado primario 22 del transformador 21, mientras el drenador del otro FET 10, cuyo surtidor está puesto a masa, está conectado al otro extremo del bobinado primario 22. Las señales MAP del lado + procedentes de la CPU 2 se suministran a la puerta del FET 9, mientras las señales MAP del lado - procedentes de la CPU 2 se suministran a la puerta del FET 10.

A continuación, se explicará el comportamiento del aparato estructurado según lo anterior respecto al diagrama de forma de onda de la Fig. 2, en la que la forma de onda superior muestra una señal de salida variable procedente del circuito variable de salida 11, seguida por las formas de onda respectivas de las señales MAP del lado +, de las señales MAP del lado - y las señales de estimulación entre los electrodos de salida 24.

Si se selecciona un modo de estimulación específico mediante el interruptor 4, y se acciona un interruptor de inicio (no mostrado), el LED 6 correspondiente al modo específico de estimulación seleccionado se activa por medio de la CPU 2. La CPU 2 controla también el medio de generación de estímulos 8 y el circuito variable de salida 11 para que se suministren entre los electrodos 24 las señales de estimulación correspondientes al modo de estimulación seleccionado. La señal de inicio de la estimulación se suministra por medio de la CPU 2 al circuito variable de salida 11, y la señal de salida variable se suministra por medio del circuito variable de salida 11 al medio de generación de estímulos 8. Como se muestra en la Fig. 2, la señal de salida variable comprende pulsos rectangulares definidos por medio de una amplitud A1 y una anchura de tiempo t1, que se repite en un periodo T. La amplitud A1 puede variarse por medio del funcionamiento de la resistencia variable 14 en el intervalo entre 0 V CC y +15 V CC y, por lo tanto, es posible para un usuario cambiar el grado de estimulación hasta el nivel deseado. Alternativamente, el periodo T y la anchura de tiempo t1 pueden variarse por medio de la CPU 2 (no mostrada en el dibujo). En tal realización, un usuario puede obtener un estímulo más deseable por medio de la variación de un parámetro del programa de control de la CPU 2.

Cada vez que se produce un pulso de onda rectangular por medio de dicho circuito variable de salida 11, la CPU 2 puede producir pulsos de activación para el FET 9 o para el FET 10 durante el periodo de salida del pulso rectangular. Los pulsos de activación poseen una componente de frecuencia más alta que el pulso rectangular. La anchura de tiempo t2 de cada pulso de activación para el FET 9 o el FET 10 se incrementa gradualmente desde el flanco de subida de dicho pulso rectangular hasta aproximadamente la mitad de dicho pulso de onda rectangular y, después, decrece gradualmente hasta el flanco de bajada de dicho pulso rectangular.

Cuando la señal MAP del lado + se suministra al FET 9 desde la CPU 2 a la vez se envía un pulso rectangular a la conexión intermedia del bobinado primario 22 del transformador 21, el FET 9 se activa durante cada pulso de activación, de manera que el lado primario (esto es, el lado que tiene un punto) del bobinado primario 22 se pone a masa, con lo que se induce un voltaje en el lado primario (lado que tiene un punto) del bobinado secundario 23. De la misma forma, cuando la señal MAP del lado – se suministra desde la CPU 2 al FET 10 mientras se envía un pulso de onda rectangular a la conexión intermedia del bobinado primario 22 del transformador 21, el FET 10 se activa durante el periodo de salida del pulso de activación, de forma que el lado secundario (el lado que no tiene un punto) del bobinado primario 22 se pone a masa y, así pues, induce un voltaje en el lado secundario (el lado que no tiene un punto) del bobinado secundario 23. De acuerdo con esto, como se muestra en la Fig. 2, el suministro de pulsos de activación a la puerta del FET 9 durante el periodo de salida de los pulsos de onda rectangular permite la emisión de una señal de estimulación positiva, mientras que el suministro de pulsos de activación a la puerta del FET 10 durante el periodo de salida de un pulso de onda rectangular permite la emisión de una señal de estimulación negativa.

Así pues, entre los electrodos de salida 24 se generan repetidamente señales de estimulación que tienen un nivel de voltaje proporcional a la amplitud A1, obteniéndose dichas señales al someter a los pulsos de onda rectangular de las señales de salida variable a una modulación de amplitud de pulso (MAP) a través de los FET 9, 10. Estas señales de estimulación muestran un grupo de pulsos S generados en cada periodo T, teniendo el grupo la anchura de tiempo t1, y teniendo dicho grupo de pulsos S un voltaje positivo y un voltaje negativo. La anchura de tiempo t2 de cada pulso de activación aumenta gradualmente desde el principio del grupo de pulsos hasta la mitad del mismo, y, entonces, disminuye gradualmente hasta que el grupo S finaliza. Mientras se produce la salida de la señal de estimulación, se hace que un temporizador incorporado (no mostrado) dentro de la CPU 2 cuente el tiempo, y se muestra el tiempo en el LED de segmentos 7.

La Fig. 4 muestra un diagrama de forma de onda de una señal de estimulación que está realmente aplicada a un cuerpo humano. La señal de estimulación mostrada aquí se define por medio de un pulso de onda rectangular de frecuencia de repetición 2,8 kHz (T = 357 \mus). Se proporcionan componentes de alta frecuencia por medio de la variación de la anchura de tiempo t2 en el intervalo de 10 a 60 \mus. La Fig. 3 muestra una forma de onda comparativa para el caso en que una resistencia de prueba de 500 \Omega se conecta como carga entre los electrodos de salida 24. En ese caso, se genera entre los terminales de la resistencia de prueba sustancialmente la misma forma de onda que la de la señal de estimulación de la Fig. 2. En contraste, la Fig. 4 muestra una forma de onda en un caso en el que los electrodos de salida 24 están unidos a una cintura humana y entonces se les da corriente. En ese caso, el cuerpo humano funciona como si fuera un elemento capacitivo y la forma de onda del grupo de pulsos de onda rectangular S se distorsiona como una onda sinusoidal de baja frecuencia. De acuerdo con esto, se obtiene una sensación extremadamente suave de estimulación si se la compara con las ondas rectangulares de la misma frecuencia y corriente. Además, ya que las señales de estimulación comprenden componentes de alta frecuencia (obtenidas por medio de la conmutación de los FET 9 y 10) los efectos terapéuticos se potencian.

Para que las señales de estimulación muestren una forma de onda sinusoidal tal como la ilustrada en la Fig. 4 cuando se aplica a un cuerpo humano, es deseable que los pulsos rectangulares que definen los grupos de pulsos S sean positivos y negativos alternativamente, en intervalos de tiempo de periodo T. Además, la anchura de tiempo t2 de un pulso MAP (pulso de activación) aumenta gradualmente durante la primera mitad del grupo de pulsos S y, después, disminuye gradualmente durante la segunda mitad del mismo. Debe hacerse notar que la anchura de tiempo t2 del pulso de activación puede variarse a través de un medio de variación de anchura de tiempo o de una secuencia de control de la CPU 2. De modo adicional, se pueden tener en cuenta varias ondas tales como las ondas triangulares u ondas predistorsionadas, con lo que se consigue una sensación de estimulación única diferente de la proporcionada por medio de ondas sinusoidales.

Cuando las señales de estimulación anteriormente mencionadas se aplican repetidamente a un cuerpo humano, este último puede llegar a acostumbrarse a estas señales y, consiguientemente, se atenúan los efectos terapéuticos tales como la eliminación o el alivio de los dolores. En una realización adicional de la invención, la secuencia de control de la CPU 2 comprende pausas. La señal de estimulación se detiene temporalmente durante la producción de una señal de ajuste de pausa de la estimulación desde la CPU 2 hacia el circuito variable de salida 11. La señal de ajuste de pausa de estimulación indica un periodo de pausa de estimulación. Otra manera de evitar la habituación a la estimulación es variar la amplitud de la señal de estimulación. En respuesta a la salida de la señal de control de estimulación fuerte procedente de la CPU 2, se proporciona temporalmente al medio de generación de estímulos 8 un pulso rectangular de mayor amplitud A2 que la amplitud predeterminada A1 por medio del circuito variable de salida 11. Así pues, se aplican al cuerpo vivo señales de estimulación más fuertes, esto es, grupos de pulsos S' de mayor amplitud, y se elimina el inconveniente mencionado.

Dado que el medio de generación de estímulos 8 modula la anchura del pulso de los pulsos de activación dentro de un pulso rectangular que se repite a una frecuencia dada, la señal resultante aplicada al cuerpo vivo comprende componentes de mayor frecuencia que dicha frecuencia de repetición. En el cuerpo humano, que tiene una impedancia capacitiva como se mencionó anteriormente, según sea mayor la frecuencia de una componente de la señal, menor es la impedancia a dicha frecuencia. Por consiguiente, las formas de onda de los grupos de pulsos rectangulares se distorsionan globalmente, con lo que se genera una sensación de estimulación más suave comparada con los pulsos de onda rectangular de la misma corriente y frecuencia. Además, dado que cada grupo de pulsos rectangulares S incluye componentes de señal de mayor frecuencia que la frecuencia de repetición del pulso de onda rectangular, se pueden obtener amplios efectos terapéuticos.

Además, el medio de generación de estímulos 8 de la invención comprende los FET 9 y 10 que funcionan como medios de conmutación para la activación y la desactivación del pulso de onda rectangular para producir de esta forma el grupo de pulsos de onda rectangular S que incluye componentes de señal que tienen mayor frecuencia que la frecuencia de recurrencia. La CPU 2 funciona como un medio de control de anchura de pulso para proporcionar a los FET 9 y 10 señales digitales MAP (o señales MAP del lado + y señales MAP del lado -) para conmutar los FET 9, 10.

Para distorsionar cada pulso de onda rectangular de la señal de estimulación, se controlan los FET 9, 10 (funcionando como medios de conmutación) por medio de señales digitales MAP de activación y desactivación. No hay, por lo tanto, necesidad de un circuito analógico convencional (tal como el circuito D/A convencional 102 y el circuito amplificador 103) para obtener la forma de onda sinusoidal. Como resultado, mientras un circuito convencional requeriría docenas de componentes tales como transistores, resistencias y condensadores para producir ondas sinusoidales, el aparato de acuerdo con la presente realización de la invención requiere únicamente un par de FET 9, 10, con lo que se simplifica extremadamente la estructura del medio de generación de estímulos 8 que funciona como circuito de salida de la señal de estimulación. Además, la modulación de anchura de pulso mediante el uso de los medios de conmutación muestra una eficiencia de potencia muy alta, según es conocido en el dominio de los inversores de motores.

La CPU 2 de la realización de la invención comprende un medio de control de estimulación fuerte para controlar la amplitud del pulso de onda rectangular: cuando está activo el modo de estimulación fuerte, la amplitud del pulso de onda rectangular posee una amplitud A2 que es mayor que la amplitud predeterminada A1. El medio de control de estimulación fuerte permite, por lo tanto, aplicar señales de estimulación más fuertes, esto es, grupos de pulsos de onda rectangular S' de mayor amplitud. Esto evita que un cuerpo humano se habitúe a las señales de estimulación. Además, el aparato puede adaptarse para generar un pulso de onda rectangular cuya amplitud sea variable aleatoriamente. De forma similar puede también hacerse aleatorio el periodo de pausa de la señal de estimulación. En ambos casos, se evita más eficazmente el que un cuerpo humano se habitúe a las señales de estimulación. Además, dado que la secuencia de control que se ejecuta en la CPU produce las funciones respectivas de dicho medio de control de señales fuertes, del medio de control de pausa de estimulación, así como del medio de control de anchura de pulso, el circuito posee una estructura menos complicada que la conocida en la técnica anterior.

La frecuencia de repetición de los grupos de pulsos de onda rectangular, la anchura de tiempo t1 del grupo de pulsos de onda rectangular S, el número y anchura t2 de los pulsos MAP individuales (pulsos de activación) pueden elegirse de forma relativamente libre de acuerdo con las diversas
necesidades.

Claims (10)

1. Aparato de estimulación de cuerpos vivos para aplicar un estímulo eléctrico a un cuerpo vivo, comprendiendo dicho aparato electrodos para aplicar una señal de estimulación a dicho cuerpo vivo y un generador de la señal de estimulación (8, 9, 10), estando dicho generador de la señal de estimulación adaptado para generar una señal de estimulación a partir de una señal periódica formada por pulsos de anchura predeterminada (t1), repitiéndose con una frecuencia de repetición predeterminada (1/T), comprendiendo dicha señal de estimulación grupos (S) de pulsos modulados en anchura de pulso, repitiéndose dichos grupos con dicha frecuencia predeterminada, teniendo cada grupo una anchura de tiempo igual a dicha anchura de tiempo predeterminada (t1), caracterizado porque cada grupo de pulsos incluye al menos dos pulsos modulados en anchura de pulso que tengan el mismo signo.

2. Aparato de estimulación de cuerpos vivos de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el generador de la señal de estimulación está adaptado para generar una señal de estimulación que comprende grupos de pulsos MAP (S), aumentándose la anchura de tiempo (t2) de un pulso MAP de un grupo dado (S) durante la primera mitad de la anchura de tiempo de dicho grupo (S) dado y disminuyéndose gradualmente durante la segunda mitad de la
misma.

3. Aparato de estimulación de cuerpos vivos de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque dicho generador de estímulos comprende elementos de conmutación (9, 10) para activar y desactivar dicha señal de pulso de onda rectangular, comprendiendo adicionalmente dicho aparato un elemento de control de anchura de pulso (2) para conmutar los medios de conmutación (9, 10) con señales digitales MAP.

4. Un aparato de estimulación de cuerpos vivos de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque dichas señales digitales MAP se producen por medio de una secuencia de control de una CPU (2).

5. Un aparato de estimulación de cuerpos vivos de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque comprende un elemento de control de estimulación fuerte que genera una señal de control de estimulación fuerte (MARTILLO) para producir temporalmente una señal de pulso de onda rectangular con una mayor amplitud que la predeterminada, estando prevista dicha señal de pulso de onda para constituir dicha señal periódica.

6. Un aparato de estimulación de cuerpos vivos de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque dicha señal de control de estimulación fuerte se genera por medio de una secuencia de control de la CPU (2).

7. Un aparato de estimulación de cuerpos vivos de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende un elemento de ajuste de pausa de la señal que genera una señal de ajuste de pausa de la señal (INTERVALO) para parar temporalmente la producción de dicha señal de estimulación.

8. Un aparato de estimulación de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque dicho periodo de pausa de la señal de estimulación se varía aleatoriamente.

9. Un aparato de estimulación de cuerpos vivos de acuerdo con las reivindicaciones 7 u 8, caracterizado porque dicha señal de ajuste de pausa de estimulación se genera por medio de una secuencia de control de una CPU (2).

10. Un aparato de estimulación de cuerpos vivos de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la amplitud de dicho pulso de onda rectangular se varía aleatoriamente.