PL228228B1 - Układ generacji sygnałów, zwłaszcza do zastosowan w elektroterapii - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ generacji sygnałów, zwłaszcza do zastosowań w elektroterapii.

Kierunki rozwoju metod elektroterapeutycznych, wskazują na coraz częstsze zastosowania oraz coraz większe możliwości terapeutyczne prądów przemiennych o charakterze sinusoidalnym z zakresu częstotliwości średnich od 1 kHz do 100 kHz. Z medycznego punktu widzenia, uzasadnione jest to ich szczególnymi właściwościami, które są szeroko opisywane w aktualnej literaturze światowej. Z punktu widzenia technicznego wpływ na to ma zintensyfikowany postęp w rozwoju takich gałęzi nauki jak elektronika i informatyka, w tym szczególnie cyfrowych metod generacji i przetwarzania sygnałów.

Przemienne sygnały terapeutyczne z zakresu częstotliwości średnich mogą wywoływać w organizmie efekty stymulacyjne związane z wytworzeniem potencjałów czynnościowych, jak również efekty niestymulacyjne związane z miejscowym i ogólnym działaniem pola elektrycznego. Terapia poprzez stymulację nerwów i mięśni, czyli generowanie potencjałów czynnościowych odnosi sukcesy od wielu dziesięcioleci. Efekty niestymulacyjne wywołane w organizmie działaniem prądów średniej częstotliwości znane są od dawna, jednakże możliwości ich wykorzystania były zazwyczaj pomijane lub stosowano je nieświadomie. Znaczenie oddziaływania efektów elektroterapeutycznych na organizm człowieka szeroko opisano w pracy R. H. Odell Jr., R. E. Sorgnard, Pain Physician, Vol 11,2008, 891-907.

Rozwiązaniem umożliwiającym wykorzystanie w elektroterapii efektów stymulacyjnych oraz efektów niestymulacyjnych jest urządzenie elektroterapeutyczne znane z publikacji opisu zgłoszeniowego WO1994005370 A1. Urządzenie to w swojej budowie zawiera oscylator połączony z jednym lub równorzędnie wieloma wzmacniaczami. Do poszczególnych wzmacniaczy podłączane są elektrody, które przykładane są do leczonych części ciała pacjenta. Oscylator połączony jest również z generatorem częstotliwości określającym rzeczywistą częstotliwość pracy oraz dodatkowo z modulatorem częstotliwości dzięki któremu częstotliwość pracy układu modulowana jest w ustalonym zakresie częstotliwości granicznych. Urządzenie umożliwia modulację częstotliwości sygnału terapeutycznego w zakresie od 1 kHz do 100 kHz z krokiem modulacji od > 0 do kilkuset Hz, przy zachowaniu stałej wartości amplitudy prądu. W przypadku tym można mówić horyzontalnym rodzaju elektroterapii. Modulacja częstotliwości zastosowana jest w celu wytworzenia bodźców odpowiednich do powstania potencjałów czynnościowych w obszarach leczonych. Rozwiązanie zawarte w przytoczonym opisie patentowym nie zapewnia jednak odwzorowania krzywej progowej wrażliwości człowieka na prąd, która opisana została w pracy C. F. Dalziel, IEEE Spectrum, Vol. 9 (2), 1972, 41-50. Nie zapewnia też szerokich możliwości wykorzystywania efektów niestymulacyjnych występujących podczas terapii sygnałami przemiennymi z zakresu częstotliwości średnich.

Z opisu WO 2002013904A znane jest urządzenie elektroterapeutyczne, przeznaczone do zastosowań w terapii energotonowej (HiToP - ang. High Tone Power Therapy). W strukturze tego urządzenia wyróżnione są następujące bloki układowe: pamięć robocza, mikroprocesor, blok strojenia częstotliwości, blok strojenia amplitudy, oscylator, generator prądowy, blok superpozycyjny oraz jednostki wzmacniające i elektrody. Do strojenia częstotliwości oraz amplitudy generowanych sygnałów wykorzystywane są odpowiednio blok strojenia częstotliwości oraz blok strojenia amplitudy. Układ kontrolujący amplitudę połączony jest z generatorem prądowym, natomiast układ kontrolujący częstotliwość współpracuje z układem oscylatora. Sterowanie blokiem strojenia częstotliwości oraz blokiem strojenia amplitudy, w zależności od zastosowanego programu terapeutycznego, zapewnia układ mikroprocesora oraz dane zapamiętane w pamięci roboczej urządzenia. Informacje zawarte w pamięci roboczej, przy wykorzystaniu mikroprocesora oraz bloków strojenia amplitudy i częstotliwości, pozawalają na ustalanie pożądanych parametrów takich jak wartości amplitudy oraz częstotliwości prądu roboczego. Prąd roboczy, dzięki blokowi superpozycyjnemu może być wykorzystany do zasilania jednego lub większej liczby niezależnych obwodów terapeutycznych, z których każdy wyposażony jest w jednostkę wzmacniającą. Do wyjść jednostek wzmacniających podłączane są dwie płaskie elektrody, które przykładane do leczonych części ciała pacjenta zamykają obwód. W innej wersji tego typu urządzenia obwody terapeutyczne budowane mogą być oddzielnie, poprzez wykorzystanie dodatkowych bloków strojenia częstotliwości, bloków strojenia amplitudy, generatorów prądowych, oscylatorów, pamięci oraz mikrokontrolerów.

W terapii energotonowej sygnałem terapeutycznym jest prąd przemienny o charakterze sinusoidalnym z zakresu tonów wysokich dźwięków słyszalnych dla ludzkiego ucha oraz w dolnego przedziału ultradźwięków, tj. z zakresu od 4096 Hz do 32768 Hz. Cechą charakterystyczną tego typu terapii jest równoczesna modulacja amplitudy i częstotliwości sygnału terapeutycznego (proces ten nazwano SimulFAM - ang. Simultaneous Frequency and Amplitude Modulation) wzdłuż indywidualnie dobieranej

PL 228 228 B1 krzywej progowej wrażliwości człowieka na prąd (metoda: SimulFAM i). Krzywa progowa wrażliwości człowieka na prąd w urządzeniach tych kształtowana jest funkcją liniową w oparciu o prostą przechodzącą przez dwa punkty charakterystyczne dla częstotliwości zlokalizowanych na początku oktawy O9 (4096 Hz) oraz na początku oktawy O11 (16384 Hz). Taki sposób kształtowania krzywej progowej, jedynie stosunkowo dobrze przybliża jej rzeczywisty przebieg w zakresie każdej z trzech oktaw (O9, O10, O11) wykorzystywanych w tej metodzie elektroterapii, nie dając jednak pełnego odwzorowania, co nie jest rozwiązaniem korzystnym. Przybliżenie to może mieć duże znaczenie praktyczne, szczególnie w zakresie wyższych wartości częstotliwości leżących w górnym paśmie oktawy O11, ponieważ wyznaczona prosta przechodzi wówczas poniżej optymalnego przebiegu krzywej progowej. Powoduje to, że w zakresie częstotliwości obejmującym oktawę O11, w każdym z występujących cykli terapeutycznych wprowadzane do organizmu są mniejsze dawki energii niż możliwe wartości optymalne, a to z kolei wpływa na wydłużenie czasu trwania całego zabiegu.

Powyższe urządzenia nie pozwalają na odpowiednio precyzyjne odwzorowanie krzywej progowej wrażliwości człowieka na prąd w zakresie częstotliwości średnich, co jest istotnym ograniczeniem.

Wynalazek ma na celu poprawę właściwości urządzeń elektroterapeutycznych poprzez umożliwienie kształtowania krzywej progowej wrażliwości człowieka na prąd z dużą dokładnością, korzystnie w całym zakresie częstotliwości średnich.

Układ do generowania sygnałów, zwłaszcza w elektroterapii, posiadający mikrokontroler, którego wejścia połączone są z interfejsem użytkownika, obwodem taktującym mikrokontroler oraz pamięcią, zaś wyjścia mikrokontrolera połączone są z obwodem wizualizacji i buforem połączonym z generatorem sterowanym obwodem taktującym oraz zawierający wzmacniacz stanowiący wyjście bloku generacyjnego połączone z wejściem źródła prądowego sterowanego napięciem, którego wyjście połączone jest z elektrodami przykładanymi do chorych miejsc pacjenta, według wynalazku charakteryzuje się tym, że elektrody połączone są w sprzężeniu zwrotnym ze skanerem krzywej progowej wrażliwości człowieka na prąd, którego wyjście połączone jest z blokiem kontrolno-sterującym.

Możliwość wykorzystania elektroterapeutycznych efektów niestymulacyjnych zależy od parametrów generowanych sygnałów terapeutycznych, które powinny w jak największym stopniu odwzorowywać krzywą progową wrażliwości człowieka na prąd w wymaganym zakresie częstotliwości. Związane jest to z faktem, że ilość energii (E) wprowadzana do organizmu podczas zabiegu zależy, przede wszystkim, od zastosowanego prądowego sygnału terapeutycznego (i) oraz czasu trwania procesu (t)

E = f (i, t) gdzie: sygnał prądowy (i) charakteryzuje wartości amplitudy (I) oraz częstotliwość (f) i = f (I, f)

Z zależności tych wynika, że zapewnienie odpowiednio dużej dokładności odwzorowania krzywej progowej pozwala na wprowadzenie do organizmu maksymalnej dawki energii (E) w optymalnie krótkim czasie trwania zabiegu (t).

Odwzorowanie przebiegu krzywej progowej z dużą dokładnością oraz stabilna praca układu możliwe są dzięki implementacji cyfrowych metod i algorytmów generacji sygnałów. Wykorzystanie metod cyfrowych pozwala na precyzyjne ustalanie kroku z jakim w procesie kształtowania przebiegu krzywej progowej skalowane mogą być wartości amplitudy i częstotliwości odpowiednich sygnałów. Precyzja w tym zakresie, w korelacji z implementacją skanera krzywej progowej odwzorowującego jej przebieg pozwala na efektywniejsze wykorzystanie elektroterapeutycznych efektów niestymulacyjnych.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat budowy układu, fig. 2 - porównanie przebiegów krzywej progowej wrażliwości człowieka na prąd, a fig. 3 - porównanie ilości energii wprowadzanej w czasie trwania całego zabiegu terapii energotonowej.

Układ składa się z bloku kontrolno-sterującego 1 zbudowanego z interfejsu użytkownika 1.1, obwodu taktującego 1.2 mikrokontroler, mikrokontrolera 1.3 w którym zaimplementowane są algorytmy skanowania i programatora, bufora 1.4, pamięci 1.5 oraz z bloku generacyjnego 2 zbudowanego z generatora 2.1, przetwornika 2.2, obwodu taktującego 2.3 generator, filtra 2.4, wzmacniacza 2.5, źródła prądowego 3 sterowanego napięciem, a także elektrod 4, skanera krzywej progowej wrażliwości człowieka na prąd 5 i obwodu wizualizacji 6.

PL 228 228 B1

Układ generacji sygnałów do zastosowań w elektroterapii posiada blok kontrolno-sterujący 1, w którym mikrokontroler 1.3 połączony jest z interfejsem użytkownika 1.1, układem taktującym 1.2 mikrokontroler 1.3, buforem 1.4 oraz pamięcią 1.5. Wyjścia bloku kontrolno-sterującego 1 połączone są z wejściami bloku generacyjnego 2. W bloku generacyjnym 2 wejścia generatora 2.1 połączone są z przetwornikiem 2.2 oraz obwodem taktującym 2.3 generator 2.1, natomiast wyjście generatora 2.1 połączone jest z wejściem filtra 2.4, którego wyjście połączone jest z wejściem wzmacniacza 2.5. Wyjście bloku generacyjnego 2, stanowiące wyjście wzmacniacza 2.5 połączone jest z wejściem obwodu źródła prądowego 3 sterowanego napięciem, którego wyjście połączone jest z elektrodami 4 przykładanymi do leczonych części ciała pacjenta. Elektrody 4 połączone są w sprzężeniu zwrotnym ze skanerem krzywej progowej wrażliwości człowieka na prąd 5, którego wyjście połączone jest z blokiem kontrolnosterującym 1.

Blok kontrolno-sterujący 1 taktowany sygnałem zegarowym wytworzonym w obwodzie taktującym 1.2 mikrokontroler 1.3 wraz z zaimplementowanymi w mikrokontrolerze 1.3 algorytmami skanowania oraz programatora zarządza pracą układu generacji sygnałów w elektroterapii.

W pierwszym kroku działania układu, poprzez interfejs użytkownika 1.1, ustalane są wartości inicjujące warunki początkowe sytemu. Są to: zakres skanowanych częstotliwości fmin-fmax, krok z jakim następuje skanowanie częstotliwości oraz dla f_mn przypisywana jest wartość amplitudy Ieff = 0 mA. Dane te zapisywane są w pamięci 1.5.

W kolejnym kroku odbywa się proces skanowania krzywej wrażliwości człowieka na prąd w zadawanym zakresie częstotliwości. W tym celu blok kontrolno-sterujący 1 poprzez bufor 1.4 wytwarza i przesyła, dane do bloku generacyjnego 2, taktowanego sygnałem zegarowym wytworzonym w obwodzie taktującym 2.3 generator 2.1. W generatorze 2.1 wytwarzany jest sygnał elektryczny o wymaganych parametrach w zakresie częstotliwości, natomiast jego amplituda strojona jest przetwornikiem 2.2, zgodnie z algorytmem skanowania współpracującym ze skanerem krzywej progowej wrażliwości człowieka na prąd 5. Sygnał z generatora przekazywany jest na wejście filtra 2.4, którego pasmo przenoszenia dobierane jest stosownie do określonego zakresu częstotliwości fmin-fmax. Odfiltrowany sygnał przekazywany jest do wzmacniacza 2.5, gdzie po wzmocnianiu do zadawanego poziomu, przekazywany jest do źródła prądowego 3 sterowanego napięciem, które zapewnia utrzymanie stabilnej wartości amplitudy sygnału roboczego w skanowanym zakresie częstotliwości. Sygnał roboczy wychodząc ze źródła prądowego 3 kierowany jest do elektrod 4, które przyłożone do leczonych części ciała pacjenta zamykają obwód elektryczny. Bezpośrednio w sprzężeniu zwrotnym z elektrodami 4 działa blok skanera krzywej progowej wrażliwości człowieka na prąd 5, w którym dla kolejnych zmian wartości częstotliwości sygnału roboczego ustalane są wartości jego amplitudy odpowiadające wartościom amplitudy progu pobudliwości. Skaner krzywej progowej wrażliwości człowieka na prąd 5 przesyła uzyskane dane do bloku kontrolno-sterującego 1. Parametry procesu terapeutycznego wyświetlane są dzięki zaimplementowanemu obwodowi wizualizacji 6.

W kolejnym kroku pracy układu, w bloku kontrolno-sterującym 1, na podstawie danych uzyskanych ze skanera krzywej progowej wrażliwości człowieka na prąd 5 oraz przy wykorzystaniu algorytmów programatora kształtowany jest indywidualny przebieg krzywej progowej. Po jej określeniu, w zależności od zaimplementowanego programu terapeutycznego, wybieranego poprzez interfejs użytkownika 1.1, w bloku kontrolno-sterującym 1 programowany jest przebieg procesu terapeutycznego. Następnie, dane określające odpowiednie wartości amplitudy i częstotliwości przesyłane są do bloku generacyjnego 2, gdzie wytwarzany jest sygnał napięciowy i przekazywany jest do źródła prądowego 3 sterowanego napięciem, które zapewnia utrzymanie stabilnej wartości amplitudy sygnału terapeutycznego w określonym procesem terapeutycznym zakresie częstotliwości. Sygnał terapeutyczny wychodzący ze źródła prądowego 3 kierowany jest do elektrod 4, które przyłożone do leczonych części ciała pacjenta zamykają obwód elektryczny. Interfejs użytkownika 1.1 umożliwia natomiast bezpośrednią komunikację z operatorem końcowym, umożliwiając również bezwzględne przerwanie terapii w dowolnym czasie jej trwania.

Na fig. 2 przedstawiono porównanie przebiegu 1 krzywej progowej uzyskanej według tradycyjnego rozwiązania stosowanego w terapii energotonowej z przebiegiem 2 uzyskanym za pomocą proponowanego układu. Uzyskane wyniki odniesiono również do przebiegu 3 wartości optymalnych. Maksymalna niedokładność odwzorowania krzywej progowej uzyskanej według tradycyjnego rozwiązania stosowanego w terapii energotonowej 1 w stosunku do przebiegu 3 wartości optymalnych dla prezentowanego przykładu wynosi 5,04%. Dzięki zastosowaniu proponowanego układu generowania

PL 228 228 B1 sygnałów zwłaszcza do zastosowań w elektroterapii wyznacza się krzywą progową wrażliwości człowieka na prąd 2, która jest zbieżna z krzywą optymalną 3.

Na fig. 3 porównano ilości energii wprowadzaną według tradycyjnego rozwiązania stosowanego w terapii energotonowej 1 z ilością energii wprowadzaną przy wykorzystaniu proponowanego układu generacji sygnałów zwłaszcza do zastosowań w elektroterapii 2. Uzyskane wyniki odniesiono również do wartości optymalnych 3. Prezentowany przykład pokazuje, że wykorzystanie układu generowania sygnałów zwłaszcza do zastosowań w elektroterapii, pozwala na wprowadzenie większej dawki energii w trakcie trwania zabiegu terapeutycznego, dzięki czemu możliwe jest również potencjalne skrócenie czasu trwania zabiegu.

Prezentowane rozwiązanie, według wynalazku, cechuje się dużą dynamiką i precyzją odwzorowania krzywej progowej. Zastosowanie bloku skanera krzywej progowej wrażliwości człowieka na prąd pozwala na dokładne jej odwzorowanie, co stwarza możliwości szerokiego wykorzystania elektroterapeutycznych efektów niestymulacyjnych. Układ zapewnia ponadto wprowadzenie do organizmu większej ilości energii podczas trwania zabiegu, co pozwala na potencjalne skrócenie czasu trwania zabiegu terapeutycznego.

Claims (1)

1. Układ do generowania sygnałów, zwłaszcza w elektroterapii, posiadający mikrokontroler, którego wejścia połączone są z interfejsem użytkownika, obwodem taktującym mikrokontroler oraz pamięcią, zaś wyjścia mikrokontrolera połączone są z obwodem wizualizacji i buforem połączonym z generatorem sterowanym obwodem taktującym oraz zawierający wzmacniacz stanowiący wyjście bloku generacyjnego połączone z wejściem źródła prądowego sterowanego napięciem, którego wyjście połączone jest z elektrodami przykładanymi do chorych miejsc pacjenta, znamienny tym, że elektrody (4) połączone są w sprzężeniu zwrotnym ze skanerem krzywej progowej wrażliwości człowieka na prąd (5), a jego wyjście połączone jest z blokiem kontrolno-sterującym (1).