PL228476B1 - Urządzenie do transdermalnej terapeutycznej elektrostymulacji - Google Patents

Abstract

Urządzenie do transdermalnej terapeutycznej elektrostymulacji posiadające moduł wykonawczy zawierający układ zasilania modułu zawierający akumulator litowo-jonowy (1) połączony z układem ładowania akumulatora (2), który jest połączony z stabilizatorem napięcia 3,0 V (3) oraz przetwornicą podnoszącą napięcie +30 V (4), układ komunikacji i sterowania zawierający mikrokontroler sterujący (5) komunikujący się poprzez interfejs USB (6) z oprogramowaniem na komputerze PC, oraz układ wykonawczy zawierający prądowy przetwornik cyfrowo-analogowy w zakresie od 0 mA do 10 mA (7), z którego prąd elektryczny jest kierowany do wyjść elektrod (8), do których połączony jest układ kontroli napięcia wyjściowego (9) sprzężony z mikrokontrolerem (5), przy czym wszystkie elementy elektroniczne wchodzące w skład modułu wykonawczego są zamontowane po obu stronach czterowarstwowej płytki obwodów drukowanych.

Description

(21) Numer zgłoszenia: 406018 _{A61H 39/0Q (200601)}

A61N 1/36 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 13.11.2013 (54)

Urządzenie do transdermalnej terapeutycznej elektrostymulacji (73) Uprawniony z patentu:

INTEGRATIVE MEDICAL CENTER SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Żerniki Wrocławskie, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono:

25.05.2015 BUP 11/15 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono:

30.04.2018 WUP 04/18 (72) Twórca(y) wynalazku:

SIDDARTH AGRAWAL, Żerniki Wrocławskie, PL ANIL KUMAR AGRAWAL, Żerniki Wrocławskie, PL (74) Pełnomocnik:

rzecz, pat. Andrzej Witek co r'St co

CM

CM

Q_

PL 228 476 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do transdermalnej terapeutycznej elektrostymulacji, które ma na celu stymulacje prądem elektrycznym odpowiednich miejsc w organizmie człowieka wykorzystując wiedzę z zakresu akupunktury.

Akupunktura jest starożytną metodą leczniczą pochodzącą z chińskiej medycyny ludowej. Efekt leczniczy w akupunkturze osiąga się poprzez wkłuwanie specjalnych srebrnych lub złotych igieł w ściśle określonych punktach ciała, które wywierają działanie bodźcowe na obwodowy i ośrodkowy układ nerwowy pobudzając zakończenia nerwowe. Akupunktura działa przeciwbólowo i leczniczo, poprawia krążenie w naczyniach włosowatych. Metodę tą wykorzystuje się w leczeniu szerokiej gamy schorzeń i stanów bólowych, jak również w zapaleniach, porażeniach, czy epilepsji. Elektroakupunktura to odmiana klasycznej akupunktury, w której stymulacja charakterystycznych punktów ciała wspomagana jest ściśle określonymi bodźcami elektrycznymi. Można wyróżnić tutaj dwie odmiany elektroakupunktury. Pierwsza, która wykorzystuje igły wkłute w ciało pacjenta. Druga, w której elektrostymulacja odbywa się przezskórnie. Druga metoda jest bardziej pożądana ze względu na brak ingerencji w ciało pacjenta, mianowicie brak przekłuwania skóry. Badania pokazują, że stymulacja impulsami elektrycznymi w odpowiednich rejonach ciała ma szerokie zastosowanie i jest skutecznie wykorzystywane w leczeniu nadciśnienia tętniczego, otyłości, niepłodności, depresji.

Znane jest urządzenie do elektrostymulacji charakterystycznych punktów na ciele człowieka KWD-808 L firmy SINIC. Urządzenie to pełni wiele funkcji, w tym pozwala na przeprowadzenie elektroakupunktury. Przedstawione urządzenie jest urządzeniem stacjonarnym, w związku z czym, nie może być wykorzystywane przez pacjentów do cyklicznej terapii wykonywanej przez pewien dłuższy okres czasu, np. jeden miesiąc w określonych odstępach czasu, np. co kilka godzin. Urządzenie to nie jest przenośne, dlatego nie pozwala na realizację długotrwałego leczenia elektroakupunkturą.

Znane jest również urządzenie medyczne do elektroterapii o nazwie AWQ-104L, które również jest urządzeniem stacjonarnym, nie pozwalającym na przeprowadzenie długotrwałego leczenia w określonych cyklach.

Z opisu zgłoszenia patentowego US 2009192406 znany jest układ elektroakupunktury służący do pomiaru bilansu energetycznego meridian u pacjenta i oddziaływania na nie. Układ wykorzystuje połączone do źródła potencjały sondę czułą na nacisk oraz kontakt ścieżki zwrotnej. Sonda wraz z kontaktem służą do diagnozy i leczenia zaburzeń równowagi energii meridan u pacjenta. Dobór parametrów elektrostymulacji odbywa się na podstawie interpretacji zmierzonych wartości bilansu energetycznego. Prezentowane urządzenie jest podręcznym urządzeniem do wykonywania ręcznej stymulacji w określonych pojedynczych punktach, w związku z czym nie nadaje się do prowadzenia długotrwałej terapii w określonych odstępach czasu, bez konieczności odbywania wizyt w ośrodku leczniczym.

Problemem technicznym stawianym przed niniejszym wynalazkiem jest zapewnienie konstrukcji takiego urządzenia do transdermalnej terapeutycznej elektrostymulacji, które będzie charakteryzowało się prostotą budowy, będzie relatywnie tanie w konstrukcji, będzie małe, będzie pozwalało na ciągłe noszenie przez pacjenta w dłuższym okresie terapii, a ponadto będzie dostarczało sygnał elektryczny o regulowanej charakterystyce, natężeniu, częstotliwości, będzie automatycznie realizowało terapię w co najmniej 4 tygodniowym okresie bez potrzeby ładowania, przy czym będzie informowało o braku kontaktu ze skórą pacjenta oraz będzie rejestrowało napięcie akumulatora i rezystancję styku ze skórą w okresie prowadzenia terapii. Nieoczekiwanie wspomniane problemy techniczne rozwiązał prezentowany wynalazek.

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do transdermalnej terapeutycznej elektrostymulacji posiadające moduł wykonawczy zawierający układ zasilania modułu, układ komunikacji i sterowania oraz układ wykonawczy, charakteryzujące się tym, że układ zasilania modułu zawiera akumulator litowo-jonowy połączony z układem ładowania akumulatora, który jest połączony z stabilizatorem napięcia 3,0V oraz przetwornicą podnoszącą napięcie +30V, układ komunikacji i sterowania zawiera mikrokontroler sterujący komunikujący się poprzez interfejs USB z oprogramowaniem na komputerze PC, a układ wykonawczy zawiera prądowy przetwornik cyfrowo-analogowy w zakresie od 0 mA do 10 mA, z którego prąd elektryczny jest kierowany do wyjść elektrod, do których połączony jest układ kontroli napięcia wyjściowego sprzężony z mikrokontrolerem, przy czym wszystkie elementy elektroniczne wchodzące w skład modułu wykonawczego są zamontowane po obu stronach czterowarstwowej płytki obwodów drukowanych.

PL 228 476 B1

Urządzenie do transdermalnej terapeutycznej elektrostymulacji, dzięki zastosowaniu małych komponentów upakowanych na obydwu stronach czterowarstwowej płytki obwodów drukowanych zajmuje niewielki obszar, dzięki czemu zmniejsza się jego waga i możliwe jest wygodne noszenie go przez dłuższy okres terapii. Zastosowana bateria litowo-jonowa zapewnia długą pracę urządzenia, co umożliwia prowadzenie terapii przez 4 tygodnie bez wymieniania baterii i/lub jej ładowania. Zastosowany mikrokontroler wraz z układem prądowego przetwornika cyfrowo-analogowego pozwala na dowolne kształtowanie przebiegów i sygnałów elektrycznych, dzięki czemu można prowadzić szeroki wachlarz terapii elektroakupunktury. Zastosowane złącze USB, połączonego z układem ładowania akumulatora pozwala na ładowanie urządzenia dowolną ładowarką USB oraz na komunikację z oprogramowaniem znajdującym się na komputerze PC.

Przykładowe realizacje wynalazku przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy układu elektronicznego modułu wykonawczego urządzenia do transdermalnej terapeutycznej elektrostymulacji, fig. 2 przedstawia schemat ideowy interfejsu USB modułu wykonawczego, fig. 3 przedstawia schemat ideowy układu ładowania akumulatora, fig. 4 przedstawia schemat ideowy stabilizatora 3,0V do zasilania mikrokontrolera, fig. 5 przedstawia schemat ideowy przetwornicy podwyższającej napięcie, fig. 6 przedstawia schemat ideowy układu przetwornika cyfrowo-analogowego, fig. 7 przedstawia schemat ideowy układu mikrokontrolera, fig. 8 przedstawia kompletny schemat ideowy modułu wykonawczego urządzenia do transdermalnej terapeutycznej elektrostymulacji, fig. 9 przedstawia widok warstwy górnej obwodu drukowanego modułu wykonawczego, fig. 10 przedstawia widok warstwy wewnętrznej obwodu drukowanego modułu wykonawczego, fig. 11 przedstawia widok warstwy dolnej obwodu drukowanego modułu wykonawczego, fig. 12 przedstawia rozmieszczenie elementów na stronie górnej płytki PCB, natomiast fig. 13 przedstawia rozmieszczenie elementów na stronie dolnej płytki PCB.

P r z y k ł a d

Schemat blokowy układu elektronicznego modułu wykonawczego urządzenia do transdermalnej terapeutycznej elektrostymulacji został przedstawiony na fig. 1, na której wyróżnia się trzy główne grupy elementów, tj. układy związane z zasilaniem całego urządzenia, w skład których wchodzi akumulator litowo-jonowy 1, układ ładowania akumulatora 2, stabilizator napięcia 3,0V 3 oraz przetwornica podnosząca napięcie +30V 4; układy komunikacji i sterowania zawierające mikrokontroler sterujący 5, który komunikuje się z oprogramowaniem na komputerze PC poprzez interfejs USB 6, przy czym zadaniem mikrokontrolera 5 jest sterowanie wszystkimi pozostałymi układami oraz wysyłanie impulsów pobudzających o określonych parametrach; układów wykonawczych, w skład których wchodzi prądowy przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) 0-10 mA 7, na którym powstaje prąd elektryczny o dokładnie ustalonym natężeniu i jest kierowany do wyjść elektrod 8, przy czym z elektrod sygnał trafia poprzez układ kontroli napięcia wyjściowego 9 do mikrokontrolera 5. Zastosowanie układu mikrokontrolera 5 wraz z przetwornikiem DAC 7 daje możliwości niemalże swobodnego kształtowania przebiegów elektrycznych na elektrodach pobudzających. Możliwe jest określanie częstotliwości powtarzania i szerokości impulsów, ich natężenia oraz czasu pobudzania. Komunikacja z komputerem PC poprzez interfejs USB 6 umożliwia programowanie funkcji modułu i monitorowanie jego pracy. Jednocześnie interfejs USB 6 pozwala na ładowanie akumulatora 1 obecnego w module. Figury 2-7 przedstawiają schematy ideowe ilustrujące kolejne bloki składowe układu elektronicznego modułu wykonawczego urządzenie do transdermalnej terapeutycznej elektrostymulacji. Fig. 2 przedstawia fragment schematu ideowego związanego z interfejsem USB wchodzącego w skład modułu wykonawczego urządzenia do transdermalnej terapeutycznej elektrostymulacji. Interfejs USB 6 zrealizowany został z wykorzystaniem układu scalonego FT230XS firmy FTDI. Układ ten ma właściwości, które pozwalają na zbudowanie efektywnego połączenia pomiędzy mikrokontrolerem 5, a oprogramowaniem na komputerze PC. Ze względu na małą ilość miejsca na gniazdo USB 10 zastosowane zostało złącze w standardzie USB-miniB. Większość elementów podłączonych do układu scalonego wynika ze schematu aplikacyjnego podawanego przez producenta. Układ FT230XS został zaprogramowany tak, aby informować mikrokontroler 5 o podłączeniu do komputera - służy do tego wyprowadzenie CBUS2. Wyprowadzenia RXD i TXD przeznaczone są do przesyłania danych pomiędzy komputerem, a mikrokontrolerem 5. Sygnały na końcówkach CBUS0 i CBUS1 włączają tranzystor T1. Występuje to w sytuacji, gdy moduł podłączony jest do gniazda USB w komputerze lub do ładowarki USB. Włączenie tranzystora T1 zasila pozostałe układy elektroniczne i pozwala na ładowanie akumulatora 1. W module wykonawczym zastosowano akumulator litowo-jonowy 1, model LP-402025 o wymiarach 26 mm x 20 mm x 4 mm i pojemności 155 mAh. Ze względu na swoje specyficzne właściwości, akumulatory litowo-jonowe 1 wymagają odpowiedniego,

PL 228 476 B1 specjalnego układu ładującego 2. W projekcie użyto układu MCP73831T produkcji Microchip, który charakteryzuje się bardzo małą liczbą elementów zewnętrznych oraz małymi wymiarami - obudowa SOT-23. Na fig. 3 przedstawiony został schemat ideowy układu ładowania 2. Dioda LED obecna w układzie sygnalizuje proces ładowania akumulatora 1. Jeśli świeci światłem ciągłym oznacza to, ze akumulator 1 jest ładowany. Jeśli mruga, to akumulator 1 jest już naładowany. Rezystor R1 ustala maksymalny prąd ładowania akumulatora 1 na wartość 130 mA. Napięcie akumulatora 1 podczas rozładowywania zmienia się (maleje) od wartości 4,2V do 3,5V. Nie jest to korzystna sytuacja dla zasilanych układów elektronicznych. Z tego też powodu napięcie zasilające mikrokontroler 5 jest stabilizowane przez układ MCP1801 na poziomie 3,0V poprzez stabilizator napięcia 3, którego schemat ideowy został przedstawiony na fig. 4. Pobudzanie ciała ludzkiego impulsami o natężeniu dochodzącymi do 10 mA wymaga zastosowania impulsów o wyższym napięciu. Przyjmuje się, że rezystancja elektryczna ciała ludzkiego wynosi około 1 kQ. Do wymuszenia przepływu prądu o natężeniu 10 mA konieczne jest przyłożenie napięcia 10V. Biorąc pod uwagę, że kontakt elektrod 8 ze skórą wprowadza dodatkową rezystancję należy zwiększyć napięcie pobudzające, aby zagwarantować odpowiednie natężenie. Przyjęto, że maksymalne napięcie pobudzające będzie wynosiło 30V. Ponieważ akumulator 1 dostarcza napięcia o wartości około 4V, konieczne jest wykorzystanie przetwornicy podwyższającej napięcie 4. Ze względu na ograniczoną ilość miejsca najważniejszym kryterium podczas wyboru przetwornicy 4 są małe wymiary układu scalonego i jak najmniejsza liczba elementów zewnętrznych. Dodatkowe wymogi to możliwość uzyskiwania napięcia wyjściowego 30V, duża sprawność układu zmniejszająca straty energii, wejście do wyłączania układu oraz możliwość zastosowania niewielkiej cewki. Powyższe wymagania spełnił układ LM2733Y firmy National Semiconductor. Na fig. 5 przedstawiony został schemat ideowy przetwornicy 3. W skład układów wykonawczych wchodzi przede wszystkim prądowy przetwornik cyfrowo -analogowy (DAC) 7. Do ustalania wartości natężenia prądu pobudzającego zastosowany został przetwornik cyfrowo-analogowy 7 AD5410 firmy Analog Devices. Dzięki temu możliwe jest bardzo elastyczne sterowanie kształtem przebiegu pobudzającego. Na fig. 6 przedstawiony jest schemat ideowy układu przetwornika cyfrowo-analogowego 7 wraz z elementami elektronicznymi odpowiedzialnymi za pomiar napięcia pobudzającego: D8, C25, R12, R13. Mierząc napięcie występujące na elektrodach pobudzających 8 podczas pracy, układ 9 jest w stanie ocenić rezystancję kontaktu ze skórą. W ten sposób możliwe jest określenie, czy elektrody 8 przylegają właściwie do skóry pacjenta. Wartość natężenia prądu generowanego na wyjściu IOUT przetwornika AD5410 ustalana jest na drodze komunikacji cyfrowej. Układ AD5410 wyposażony jest w interfejs transmisji danych w formacie SPI. Wyprowadzenia SCLK, SDIN, SDO, LATCH tworzą właśnie ten interfejs. Na schemacie (fig. 6) widoczne są również elektrody 8 stykające się ze skórą: J4 - elektroda aktywna, J2, J3 - elektrody odniesienia. Najważniejszym elementem urządzenia do transdermalnej terapeutycznej elektrostymulacji jest mikrokontroler 5, który steruje pracą całego modułu. Zastosowano układ PIC18LF26K22 firmy Microchip. Układ ten charakteryzuje się bardzo małym poborem prądu podczas pracy co powala na zbudowanie urządzenia, które długo pracuje bez potrzeby ładowania akumulatora 1. Mikrokontroler PIC18LF26K22 jest układem elektronicznym, który zawiera w sobie procesor wykonujący program zapisany w pamięci oraz wiele dodatkowych układów pozwalających na realizowanie różnorodnych funkcji. W jednym układzie scal onym o niewielkich wymiarach znajduje się procesor, który wykonuje program i steruje działaniem modułu; pamięć programu (Flash), w której zapisany jest program wykonywany przez procesor; pamięć RAM używana do przechowywania danych podczas pracy programu; pamięć EEPROM, w której zapisywane są parametry pracy modułu, które później odczytywane są przez oprogramowanie komputera PC; interfejsy komunikacyjne: SPI - ustalanie parametrów pracy przetwornika AD5410, UART - komunikacja z komputerem PC; przetwornik ana logowo-cyfrowy, który realizuje pomiar napięcia baterii, pomiar rezystancji kontaktu elektrod 8 ze skórą; oraz liczniki i timery, które odliczają czas do rozpoczęcia pobudzenia, określają częstotliwość wysyłania impulsów pobudzających. Na fig. 7 przedstawiony został schemat ideowy układu mikrokontrolera 5. Złącze J6 w standardzie ICSP przeznaczone jest do programowania mikrokontrolera 5 na etapie opracowywania urządzenia. Elementy T2, R6, R7 pozwalają na pomiar napięcia akumulatora 1. Zmierzona wartość zapisywana jest w pamięci nieulotnej EEPROM. Dzięki temu możliwe jest śledzenie procesu rozładowywania się akumulatora 1. Oscylator XI wraz z kondensatorami C18 i C19 tworzy zegar pracujący z częstotliwością 32,768 kHz. Układ ten wraz z timerem zawartym w mikrokontrolerze 5 odmierza czas pomiędzy kolejnymi cyklami pobudzenia. Dioda D7 służy do sygnalizowania aktywności układu. Podczas pobudzania dioda błyska. Dzięki temu wiadomo, czy w danym momencie wysyłane są impulsy prądu do elektrod. Kompletny schemat ideowy modułu wykonawczego został przedstawiony na fig. 8.

PL 228 476 B1

Wszystkie elementy przedstawione na schemacie ideowym z fig. 8 zostały rozmieszczone na niewielkiej płytce drukowanej. Do montażu zastosowano elementy elektroniczne o następujących rozmiarach obudowy: większość elementów biernych (rezystory, kondensatory) - rozmiar 0603 (1,6 mm x 0,8 mm), kondensatory na 50V - rozmiar 1206 (3,2 mm x 1,6 mm), tranzystory i małe układy scalone - SOT23, diody - SOD110, układy scalone duże (PIC, AD, FT) - obudowy TSSOP charakteryzujące się gęstym rozstawem wyprowadzeń. Wykorzystanie miniaturowych elementów pozwoliło na zmieszczenie ich na płytce o wymiarach 35 mm x 25 mm, ale pod warunkiem montażu na obu stronach płytki. Okazało się, że ze względu na dużą gęstość upakowania elementów konieczne było wykonanie płytki z czterema warstwami przewodzącymi. Na figurach 10-12 przedstawione zostały schematy połączeń na warstwach obwodu drukowanego, odpowiednio: warstwa górna (top), warstwa wewnętrzna, warstwa spodnia (bottom). Warstwa czwarta (wewnętrzna) to tzw. power plane, czyli powierzchnia podłączona do jednego punktu w układzie. W prezentowanym projekcie jest to masa, która zapewnia ekranowanie układów elektronicznych oraz zmniejsza zakłócenia przenikające przez linie zasilające.

Figury 12 i 13 przedstawiają rozmieszczenie elementów z przedstawionych schematów ideowych na płytce obwodu drukowanego obejmujące obydwie strony płytki. Takie rozmieszczenie pozwoliło na maksymalne zmniejszenie wykorzystanego miejsca, przez co zmniejszono cały układ wykonawczy urządzenia do transdermalnej terapeutycznej elektrostymulacji. Przedstawiony układ charakteryzował się następującymi właściwościami:

• wymiary: 50 x 30 x 15 mm, • wbudowany akumulator Lion, pozwalający na około 4 godziny ciągłej pracy, przy cyklach 2 x 5 minut na dobę daje to 4 tygodnie bez potrzeby ładowania, • częstotliwość pobudzenia 1 Hz - 200 Hz, ustalana co 0,1 Hz, • szerokość impulsów pobudzających regulowana w zakresie 10-300 ps z krokiem 1 ps, • natężenie prądu 0-10 mA, z krokiem 0,1 mA, • różne tryby pobudzenia: fala ciągła, burst, 2 częstotliwości przełączane (dense-disperse mode), • zapamiętywane parametry pobudzenia, • automatyczne włączanie o określonym czasie i realizowanie pobudzenia, • wykrywanie braku kontaktu ze skórą podczas pobudzenia, • rejestrowanie napięcia akumulatora i rezystancji styku ze skórą za ostatnie 30 dni, • gniazdo USB mini do podłączenia komputera PC, • akumulator modułu wykonawczego ładowany z portu USB lub dowolnej ładowarki USB.

Osiągnięcie powyższych właściwości pozwoliło na realizację urządzenia do transdermalnej terapeutycznej elektrostymulacji, które umożliwia przeprowadzanie długotrwałej automatycznej terapii elektroakupunktury w sposób bezobsługowy, bez potrzeby ładowania oraz w urządzeniu, które może być swobodnie noszone przy pacjencie.

Claims (1)

1. Urządzenie do transdermalnej terapeutycznej elektrostymulacji posiadające moduł wykonawczy zawierający układ zasilania modułu, układ komunikacji i sterowania oraz układ wykonawczy, układ zasilania modułu zawiera akumulator litowo-jonowy połączony z układem ładowania akumulatora, który jest połączony z stabilizatorem napięcia oraz przetwornicą podnoszącą napięcie, układ komunikacji i sterowania zawiera mikrokontroler sterujący komunikujący się poprzez interfejs USB i z oprogramowaniem na komputerze PC, układ wykonawczy, z którego prąd elektryczny jest kierowany do wyjść elektrod, do których połączony jest układ kontroli napięcia wyjściowego sprzężony z mikrokontrolerem , przy czym wszystkie elementy elektroniczne wchodzące w skład modułu wykonawczego są zamontowane po obu stronach czterowarstwowej płytki obwodów drukowanych, znamienne tym, że układ wykonawczy (7) zawiera prądowy przetwornik cyfrowo-analogowy w zakresie od 0 mA do 10 mA umożliwiający zmianę prądu co 0,1 mA i pracuje w jednym z trybów pobudzenia: fala ciągła, burst, 2 częstotliwości przełączane (dense-disperse mode).