RU2011386C1

RU2011386C1 - Electrostimulator

Info

Publication number: RU2011386C1
Authority: RU
Inventors: Г.П. Тюрин
Original assignee: Тюрин Григорий Петрович
Priority date: 1990-04-27
Filing date: 1990-04-27
Publication date: 1994-04-30

Abstract

FIELD: medical engineering. SUBSTANCE: electrostimulator has electrodes 4, power supply, vibration pack former, output signal former connected to power supply. Output signal former has power amplifier, analog modulator, sine carrier generator provided with frequency control. Signal from output of carrier generator is applied to one input of modulator. The other input of modulator is used for receiving signal from vibration pack former which has pack frequency generator, square pulse generator provided with repetition frequency control, which operates either in continuous mode or in mode of pack generation. Sine carrier signal is formed in the output of electrostimulator either continuously or in form of packs. Sine carrier signal is modulated by pulses which have forms of leading edge and trailing edge. This form is close to exponential one. Depth of modulation approaches to 100% . EFFECT: improved efficiency of treatment. 3 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике и касается одноканального электростимулятора, предназначенного для проведения лечебно-восстановительных, лечебно-профилактических, тренировочно-укрепляющих и других процедур, в частности для профилактики и лечения спортивных и бытовых травм. The invention relates to medical equipment and relates to a single-channel electrical stimulator, designed for medical rehabilitation, medical prophylactic, training and strengthening and other procedures, in particular for the prevention and treatment of sports and domestic injuries.

Биоуправляемые электростимуляторы нервно-мышечного аппарата без обратной связи начали создавать в последние 15-20 лет. В этой быстро развивающейся области еще много нерешенных проблем. Известны электростимуляторы различного принципа действия - как одноканального, так и многоканальные. Feedback-driven biocontrolled electrical stimulators of the neuromuscular system began to be created in the last 15-20 years. There are still many unsolved problems in this rapidly developing field. Known electrical stimulators of various operating principles - both single-channel and multi-channel.

Известен электростимулятор, включающий в себя формирователь пачек колебаний и формирователь выходного сигнала, в котором с целью регулирования сокращений мышц в зависимости от крутизны нарастания импульсации формирователь пачек колебаний включает выходной трансформатор, соединенный с регулятором выходного сигнала, и ключевую схему, которая подключена к средней точке обмотки трансформатора, формирователю выходного сигнала и генератору частоты пачек. Known electrical stimulator, which includes a shaper of oscillation packs and an output signal shaper, in which, in order to control muscle contractions, depending on the steepness of the pulse increase, the shaker of oscillation bursts includes an output transformer connected to the output signal regulator and a key circuit that is connected to the midpoint of the winding transformer, output driver and burst frequency generator.

Недостатком указанного электростимулятора является невозможность получения на выходе воздействующего сигнала, представляющего собой амплитудно-модулированные синусоидальные колебания, что вызвано отсутствием в его схеме генератора несущей и модулятора. The disadvantage of this electrical stimulator is the impossibility of receiving an acting signal at the output, which is amplitude-modulated sinusoidal oscillations, which is caused by the absence of a carrier generator and a modulator in its circuit.

Известен также электростимулятор, содержащий электроды, источник питания и соединенные с ним формирователь пачек колебаний, формирователь выходного сигнала и генератор частоты пачек. An electrostimulator is also known, comprising electrodes, a power source, and a shaper of oscillation packets, a shaper of the output signal, and a frequency generator of the packets connected to it.

Недостатком этого электростимулятора является то, что на его выходе невозможно получить воздействующий сигнал заданной формы, который обусловливает комфортность пациента во время проведения процедуры. Кроме того, в этом электростимуляторе невозможно регулировать независимо параметры воздействующего сигнала. The disadvantage of this electric stimulator is that it is impossible to obtain an acting signal of a given shape at its output, which determines the patient's comfort during the procedure. In addition, in this electric stimulator, it is impossible to independently control the parameters of the acting signal.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому электростимулятору является выбранный в качестве прототипа электростимулятор "Стимул-1". Он содержит регулятор длительности пачек, регулятор скважности пачек, электронный ключ, генератор пачек, к входам которого подключены регулятор длительности пачек и регулятор скважности пачек, а выход соединен с входом электронного ключа, генератор прямоугольных импульсов, подключатель режимов, интегратор, генератор синусоидальных колебаний, последовательно соединенные модулятор, усилитель и электроды, подключенные к входам усилителя, регулятор амплитуды и измеритель выходного тока. The closest in technical essence to the claimed electrical stimulator is selected as a prototype electrical stimulator "Stimulus-1". It contains a pack duration regulator, a pack duty cycle regulator, an electronic key, a pack generator, to the inputs of which a pack duration controller and a pack duty ratio regulator are connected, and the output is connected to an electronic key input, a rectangular pulse generator, a mode switch, an integrator, a sinusoidal oscillation generator, in series connected modulator, amplifier, and electrodes connected to amplifier inputs, an amplitude regulator, and an output current meter.

Прототипу присущи следующие недостатки: прямоугольная форма модулирующих колебаний не обеспечивает безболезненность проведения стимуляции, поэтому при получении с помощью прототипа сильных сокращений мышц процесс стимуляции сопровождается побочными болезненными ощущениями; частота синусоидальных несущих колебаний фиксирована, что не обеспечивает возможность стимуляции тех групп мышц, для которых, в силу их физиологических особенностей, требуется устанавливать другое значение частоты несущей. Это приводит к необходимости компенсировать несоответствие величины несущей частоты требуемому для данной мышцы значению значительным увеличением амплитуды выходного сигнала, что, в свою очередь, усиливает побочные болезненные ощущения. Фиксированное значение частоты импульсов, модулирующих несущую и их скважности не позволяет произвести индивидуальный подбор этих параметров для каждой конкретной группы мышц, причем для различных пациентов значения этих параметров также отличаются. При работе электростимулятора в любом из реализуемых им режимов стимуляции значения частоты следования посылок и пауз между ними лежат практически вне области, соответствующей естественной двигательной активности, что не позволяет имитировать в процессе проведения стимуляции естественный темп и ритм движений. The following disadvantages are inherent in the prototype: the rectangular shape of the modulating oscillations does not provide painless stimulation, therefore, when the prototype receives strong muscle contractions, the stimulation process is accompanied by side painful sensations; the frequency of sinusoidal carrier oscillations is fixed, which does not provide the ability to stimulate those muscle groups for which, due to their physiological characteristics, it is necessary to set a different value of the carrier frequency. This leads to the need to compensate for the mismatch in the magnitude of the carrier frequency to the value required for a given muscle by a significant increase in the amplitude of the output signal, which, in turn, enhances the side painful sensations. The fixed value of the frequency of the pulses modulating the carrier and their duty cycle does not allow for the individual selection of these parameters for each specific muscle group, and for different patients the values of these parameters also differ. When the electric stimulator operates in any of the stimulation modes it implements, the values of the repetition rate of the parcels and pauses between them lie practically outside the area corresponding to the natural motor activity, which does not allow simulating the natural tempo and rhythm of movements during the stimulation process.

Целью изобретения является снижение болевых ощущений путем амплитудной модуляции синусоидальных колебаний по экспоненциальному закону. The aim of the invention is to reduce pain by amplitude modulation of sinusoidal oscillations according to the exponential law.

Указанная цель достигается тем, что в схему электростимулятора введены регулятор чистоты синусоидальных колебаний, подключенный к входам генератора синусоидальных колебаний, регулятор частоты прямоугольных импульсов, подключенный к одним входам генератора прямоугольных импульсов, формирователь треугольных импульсов, регулятор длительности спада, подключенный к одним входам формирователя треугольных импульсов, другой вход которого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, а выход подключен к входу интегратора, выход которого соединен с другим входом модулятора, причем переключатель режимов подключен к выходу электронного ключа и другому входу генератора прямоугольных импульсов. This goal is achieved by the fact that a purity regulator of sinusoidal oscillations connected to the inputs of a sinusoidal oscillator, a frequency regulator of rectangular pulses connected to one input of a generator of rectangular pulses, a shaper of triangular pulses, a regulator of the decay duration connected to one input of a shaper of triangular pulses is introduced , the other input of which is connected to the output of the rectangular pulse generator, and the output is connected to the integrator input, the output otorrhea connected to the other input of the modulator, wherein the mode switch is connected to the output of the electronic key and the other input of the generator of rectangular pulses.

На фиг. 1 представлена функциональная схема электростимулятора; на фиг. 2 - временная диаграмма формирования выходного сигнала; на фиг. 3 - пример схемной реализации электростимулятора. In FIG. 1 shows a functional diagram of an electric stimulator; in FIG. 2 is a timing chart for generating an output signal; in FIG. 3 is an example of a circuit implementation of an electric stimulator.

Функциональная схема электростимулятора содержит электроды 1, источник питания 2 и подключенные к нему формирователь пачек колебаний 3 и формирователь выходного сигнала 4. The functional diagram of the electric stimulator contains electrodes 1, a power source 2 and a shaper of oscillation packets 3 and a shaper of the output signal 4 connected to it.

Функциональная схема электростимулятора (фиг. 1) содержит электроды 1, источник питания 2 и подключенные к нему формирователь пачек колебаний 3 и формирователь выходного сигнала 4. Functional diagram of an electric stimulator (Fig. 1) contains electrodes 1, a power source 2 and a shaper of oscillation packets 3 and a shaper of the output signal 4 connected to it.

В состав формирователя пачек колебаний входит генератор частоты пачек 5 с регуляторами частоты пачек 6 и скважности 7, генератор прямоугольных импульсов 8 с регулятором частоты повторения 9, электронным ключом 10 и переключателем режима работы 11. К выходу генератора прямоугольных импульсов подключен формирователь треугольных импульсов 12 с регулятором длительности спада 13. К выходу формирователя треугольных импульсов подключена цепь формирования экспоненциального фронта и спада выходных импульсов 14, с выхода которой импульсы с формой фронта и спада, близкой к экспоненциальной, поступают на формирователь выходного сигнала. В схему последнего входят генератор синусоидальных колебаний 15 с регулятором частоты 16. С выхода генератора синусоидальных колебаний 15 синусоидальные колебания несущей частоты поступают на Bx1 аналогового модулятора 17. На Bx2 модулятора 17 поступают колебания с выхода формирователя пачек колебаний 3, к выходу модулятора 17 подключен вход оконченного усилителя мощности 18 с регулятором величины выходного сигнала 19 и цепями контроля величины выходного сигнала 20. The shaper of oscillation bursts includes a burst frequency generator 5 with burst frequency controllers 6 and duty cycle 7, a rectangular pulse generator 8 with a repetition rate controller 9, an electronic key 10 and an operating mode switch 11. A triangular pulse shaper 12 with a regulator is connected to the output of the rectangular pulse generator the duration of the recession 13. To the output of the shaper of triangular pulses is connected the circuit of the formation of the exponential front and the recession of the output pulses 14, from the output of which pulses with the form coagulant and fall close to exponential fed to the output driver. The latter circuit includes a sinusoidal oscillation generator 15 with a frequency regulator 16. From the output of the sinusoidal oscillation generator 15, sinusoidal oscillations of the carrier frequency are supplied to the Bx1 of the analog modulator 17. The Bx2 of the modulator 17 receives oscillations from the output of the generator of oscillation packets 3, the input of the finished power amplifier 18 with a regulator of the magnitude of the output signal 19 and control circuits of the magnitude of the output signal 20.

Электростимулятор работает следующим образом. The stimulator works as follows.

Генератор синусоидальной несущей 15 работает в автоколебательном режиме и вырабатывает сигнал синусоидальной формы 21, частота которого может быть установлена с помощью регулятора 16. Выходной сигнал генератора несущей подается на вход 1 аналогового модулятора 17. Генератор прямоугольных импульсов 8 может работать, генерируя либо непрерывную последовательность импульсов 22, либо пачки импульсов 22, исключая пунктир. Для реализации этих режимов используются электронный ключ 10 и переключатель режима работы 11, выводы которого подключены к эмиттеру и коллектору электронного ключа 10. При замыкании переключателя 11 генератор прямоугольных импульсов 8 переходит в автоколебательный режим, что соответствует работе в режиме непрерывной стимуляции. При размыкании переключателя 11 генератор прямоугольных импульсов 8 переходит в режим генерации пачек колебаний. The sinusoidal carrier generator 15 operates in self-oscillating mode and generates a sinusoidal waveform 21, the frequency of which can be set using the regulator 16. The output signal of the carrier generator is fed to the input 1 of the analog modulator 17. The square-wave generator 8 can operate either generating a continuous pulse train 22 , or bursts of pulses 22, excluding the dotted line. To implement these modes, an electronic key 10 and an operating mode switch 11 are used, the terminals of which are connected to the emitter and the electronic key collector 10. When the switch 11 is closed, the rectangular pulse generator 8 goes into self-oscillating mode, which corresponds to operation in the continuous stimulation mode. When the switch 11 is opened, the square-wave generator 8 switches to the mode of generation of wave packets.

С выхода генератора прямоугольных импульсов сигнал поступает на формирователь треугольных импульсов 12, на выходе которого из прямоугольных вырабатываются импульсы треугольной формы 23 с крутым фронтом и прямолинейным спадом, регулируемым до длительности с помощью регулятора 13. После прохождения треугольным импульсом цепей 14 фронт и спад его принимают форму, близкую к экспоненциальной 24 и этот сигнал подается на Bx2 аналогового модулятора 17. From the output of the rectangular pulse generator, the signal enters the triangular pulse generator 12, the output of which from the rectangular pulses of triangular shape 23 is generated with a steep edge and a rectilinear decline, adjustable to a duration using the regulator 13. After the triangular pulse of circuits 14 passes, its front and fall take the form close to exponential 24 and this signal is fed to Bx2 of analog modulator 17.

Для формирования пачек колебаний база транзистора электронного ключа 10 подключена к выходу генератора частоты пачек 5, вырабатывающего прямоугольные импульсы 25. На время длительности этих импульсов транзистор электронного ключа 10 открывается, являясь эквивалентом замкнутого переключателя 11. При этом генератор прямоугольных импульсов переходит в автоколебательный режим и вырабатывает пачку прямоугольных импульсов 22, исключая пунктир, причем длительность пачки равна длительности импульса 25 генератора частоты пачек 5. Требуемая частота пачек устанавливается регулятором 10. Длительность пачки устанавливается путем регулировки скважности импульсов генератора частоты пачек, поэтому она в любом случае не превышает периода колебаний генератора частоты пачек, что в противном случае привело бы к переходу из режима генерации пачек колебаний в режим непрерывной генерации. To form bundles of oscillations, the base of the transistor of the electronic key 10 is connected to the output of the frequency generator of the packs 5, which generates rectangular pulses 25. For the duration of the duration of the pulses, the transistor of the electronic key 10 opens, being the equivalent of a closed switch 11. In this case, the square-wave generator goes into self-oscillating mode and generates a pack of rectangular pulses 22, excluding the dotted line, and the duration of the pack is equal to the duration of the pulse 25 of the frequency generator packs 5. Frequently a set of packs controller 10. Duration packs set by adjusting the duty cycle oscillator packs, so it is in any case does not exceed the period of oscillation frequency generator packets that otherwise would result in a transition from the lasing oscillation packs in continuous generation mode.

Таким образом, на выходе аналогового модулятора 17 образуются амплитудно-модулированные синусоидальные колебания 26, генерируемые либо в виде непрерывной последовательности, либо в виде пачек 26, исключая пунктир, форма огибающей которых соответствует сигналу 24. Thus, at the output of the analog modulator 17, amplitude-modulated sinusoidal oscillations 26 are generated, generated either in the form of a continuous sequence or in the form of bursts 26, excluding the dashed line, whose envelope shape corresponds to signal 24.

Форма сигнала на электродах 1 соответствует колебаниям 26, т. к. усилитель мощности 18 работает в линейном режиме. Требуемая величина выходного сигнала электростимулятора выставляется с помощью регулятора 19, контроль величины выходного сигнала производится с помощью цепи контроля выходного сигнала (миллиамперметра переменного тока) 20. The waveform at the electrodes 1 corresponds to vibrations 26, because the power amplifier 18 operates in a linear mode. The required value of the output signal of the electric stimulator is set using the regulator 19, the control of the value of the output signal is performed using the control circuit of the output signal (milliammeter AC) 20.

Пример схемной реализации электростимулятора приведен на фиг. 3. Генератор синусоидальной несущей 15 может быть выполнен на операционном усилителе с мостом Вина на элементах 28,29,16,30,31 в качестве частотно-задающей цепи, с цепью амплитудно-зависимой отрицательной обратной связи, стабилизирующей режим генерации и состоящей из элементов 32-39, и выходного эмиттерного повторителя на транзисторе 40 и резисторе 41, сигнал с выхода которого подается через разделительную цепь из элементов 42,43 на вход 1 аналогового модулятора 17. Сигнал с выхода аналогового модулятора через эмиттерный повторитель на транзисторе 44 и резисторе 45 подается через разделительный конденсатор 46 на регулятор величины выходного сигнала 19, а затем через разделительный конденсатор 47 - на вход оконечного усилителя мощности 18, выполненного по трансформаторной схеме на транзисторах 48-50, трансформаторах 51,52, резисторах 53-59. К вторичной обмотке выходного трансформатора 52 подключены электроды 1, один из которых подключен непосредственно к одному из выводов вторичной обмотки выходного трансформатора, а другой - через цепь контроля величины выходного сигнала 20, состоящую из диодного выпрямительного моста 60-63, миллиамперметра постоянного тока 64 и ограничительного резистора 65, предотвращающего перегрузку выходного усилителя мощности в случае короткого замыкания электродов 1. An example circuit design of an electrical stimulator is shown in FIG. 3. The sinusoidal carrier generator 15 can be performed on an operational amplifier with a Wien bridge on elements 28,29,16,30,31 as a frequency-defining circuit, with an amplitude-dependent negative feedback circuit stabilizing the generation mode and consisting of elements 32 -39, and the output emitter follower on transistor 40 and resistor 41, the output signal of which is supplied through an isolation circuit from elements 42.43 to input 1 of analog modulator 17. The signal from the output of the analog modulator through emitter follower on transistor 44 and the resistor 45 is fed through an isolation capacitor 46 to a regulator of the output signal 19, and then through an isolation capacitor 47 to an input of a terminal power amplifier 18 made according to a transformer circuit on transistors 48-50, transformers 51.52, resistors 53-59. The electrodes 1 are connected to the secondary winding of the output transformer 52, one of which is connected directly to one of the terminals of the secondary winding of the output transformer, and the other through the output signal 20 control circuit, consisting of a 60-63 diode rectifier bridge, a direct current 64 milliammeter, and a limiting a resistor 65 that prevents overloading of the output power amplifier in the event of a short circuit of the electrodes 1.

Генератор частоты пачек 5, у которого частота и скважность регулируются независимо, может быть выполнен на операционном усилителе 66 с времязадающим конденсатором 67. Регулятор частоты 6 и ограничивающие резисторы 68,69 образуют цепь регулировки частоты пачек, а регулятор 7, резисторы 70,71 и диоды 72,73 образуют цепь регулировки скважности. Выходной импульс генератора частоты пачек подается через делитель из резисторов 74,75 на базу транзистора 70, между коллектором и эмиттером которого включен переключатель режима работы 11. The frequency generator packs 5, in which the frequency and duty cycle are independently regulated, can be performed on an operational amplifier 66 with a timing capacitor 67. The frequency regulator 6 and the limiting resistors 68.69 form a chain for regulating the frequency of the packs, and the regulator 7, resistors 70.71 and diodes 72.73 form the duty cycle adjustment circuit. The output pulse of the pack frequency generator is supplied through a divider from resistors 74.75 to the base of transistor 70, between the collector and emitter of which the operating mode switch 11 is turned on.

Схема генератора прямоугольных импульсов 8 выполнена аналогично схеме генератора частоты пачек на операционном усилителе 76 с времязадающим конденсатором 77. Цепь регулировки частоты генератора прямоугольных импульсов 8 состоит из регулятора частоты 9 и ограничивающих регистров 78,79. Цепь, задающая длительность импульса, состоит из резисторов 80,81 и диодов 82,83. С выхода генератора прямоугольных импульсов 8 через разделительную RC цепь 84-86 сигнал подается на вход формирователя треугольных импульсов 12, который может быть выполнен на операционном усилителе 87 с времязадающим конденсатором 88. Регулятор 13 и резисторы 89-91 образуют цепь регулировки длительности спада. С выхода формирователя треугольных импульсов 12 сигнал поступает на цепь формирования экспоненциального фронта и спада, состоящую из резисторов 92,93 и конденсатора 94, откуда через эмиттерный повторитель, состоящий из транзистора 95, резистора 96 и разделительного конденсатора 97, поступает на вход 2 аналогового модулятора 17, выполненного на основе микросхемы аналогового перемножителя сигналов. The circuit of the square-wave generator 8 is made similarly to the circuit of the frequency generator of the bursts on the operational amplifier 76 with a timing capacitor 77. The frequency control circuit of the square-wave generator 8 consists of a frequency controller 9 and limiting registers 78.79. The circuit that sets the pulse duration consists of resistors 80.81 and diodes 82.83. From the output of the square-wave pulse generator 8, through a dividing RC circuit 84-86, the signal is fed to the input of a triangular pulse shaper 12, which can be performed on an operational amplifier 87 with a timing capacitor 88. The regulator 13 and the resistors 89-91 form a circuit for adjusting the decay duration. From the output of the triangular pulse shaper 12, the signal is fed to an exponential rise and fall circuit, consisting of resistors 92.93 and a capacitor 94, from where it is fed to input 2 of an analog modulator 17 through an emitter follower consisting of a transistor 95, a resistor 96, and a isolation capacitor 97 made on the basis of an analog signal multiplier chip.

Claims

An ELECTRICAL STIMULATOR containing a burst generator, to the inputs of which a burst duration regulator and burst duty cycle regulator are connected, and the output is connected to an electronic key input, a mode switch, an integrator, a sinusoidal oscillation generator, a modulator, an amplifier and electrodes connected to the amplifier inputs, an amplitude regulator, connected in series and an output current meter, characterized in that, in order to reduce pain by amplitude modulation of sinusoidal oscillations according to the exponential law, he contains a frequency regulator for sinusoidal oscillations connected to the inputs of a sinusoidal oscillator, a frequency regulator for rectangular pulses connected to one input of a rectangular pulse generator, a triangular pulse generator, a slider for regulating the decay duration connected to one input of a triangular pulse generator, the other input of which is connected to the output of a rectangular generator pulses, and the output is connected to the input of the integrator, the output of which is connected to another input of the modulator, and Tel modes of the electronic key connected to the output and the other input of the generator of rectangular pulses.