RU2306155C2 - Устройство и способ биоэлектрической стимуляции, ускорения заживления и облегчения болевых ощущений - Google Patents

Abstract

Устройство и способ генерации электрического сигнала для применения в биомедицинских приложениях, содержащее два времязадающих блока (92, 94) для генерации временных интервалов T₁-T₇, блок (96) комбинирования указанных интервалов в выходной сигнал, имеющий заранее определенные соотношения между интервалами, выходной блок (104) для передачи выходного сигнала к нагрузке, и, по выбору, фильтр (102) для удаления нежелательных частотных компонентов из выходного сигнала и блок (100) настройки, для выбора из набора выходных сигналов с заранее определенными характеристиками. Выходной сигнал представляет собой повторяющуюся последовательность пакетов прямоугольных импульсов, выравнивающего импульса (при необходимости) для устранения постоянного смещения для случая, когда оно нежелательно, и периода покоя с отсутствующим сигналом. В случаях, требующих наличия постоянного смещения, выравнивающим импульсом можно пренебречь, при этом оставшийся сигнал включает в себя наложенный постоянный потенциал. Изобретения позволяют расширить область применения устройств и способов в широком спектре приложений, в том числе ускорения заживления и облегчения боли. 7 н. и 60 з.п. ф-лы, 18 ил, 2 табл.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к генератору импульсных сигналов для биомедицинских приложений, а более конкретно - настоящее изобретение относится к легкому компактному генератору импульсных сигналов, который выдает сигнал, имеющий форму, основанную по меньшей мере на четырех временных интервалах Т₁-Т₄, более предпочтительно, основанную на семи временных интервалах Т₁-Т₇.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Повреждения, инфекции и дегенеративные состояния являются основными источниками болевых ощущений, беспокойств, издержек, потери рабочего (и свободного) времени и снижения продуктивности. Проблемы, связанные с такими состояниями, усугубляются с возрастом, так как повреждения, которые быстро исцеляются в молодости у здорового человека, требуют гораздо больше времени на лечение у более старшего по возрасту человека, который имеет слабое здоровье, либо и в том и другом случаях. В демографически старых обществах, какими являются сегодня большинство индустриально развитых наций, такие социальные и экономические воздействия существенно усилятся в течение следующих нескольких десятилетий.

Хотя довольно сложно дать общую оценку таких состояний в стоимостном исчислении - не говоря об их влиянии на качество жизни - несомненно, что это составляет многие миллиарды долларов в год только в Соединенных Штатах. Например, от пяти до десяти миллионов человек, постоянно проживающих в Соединенных Штатах, ежегодно страдает от переломов костей, во многих случаях множественных переломов. В молодости у пациента с хорошим здоровьем кости с множественными переломами требуют фиксации в гипсе в течение шести недель или более. Даже после удаления гипса активность пациента часто ограничена до тех пор, пока выздоравливающая кость восстановится полностью. В пожилом возрасте у пациента с ослабленным здоровьем или недостаточным питанием, у пациента с множественными переломами или пациентов в состояниях, которые сильно влияют на процесс выздоровления, переломы лечатся более медленно. В некоторых случаях переломы не восстанавливаются полностью, в результате возникают состояния, известные как "несращение" кости или "несрастающийся перелом", которые иногда остаются до конца жизни.

В результате в Соединенных Штатах потери производительности труда оцениваются в четверть миллиона человеко-лет только вследствие переломов костей. Похожая статистка может быть приведена не только для других классов травматических повреждений, но также для хронических состояний таких, как остеоартрит, остеопороз, диабетические язвы и пролежни, поврежденные связки, тендинит, и повреждения вследствие повторяющейся нагрузки, включая состояния широко известные как "теннисный локоть" и кистевой туннельный синдром.

С 1960-х годов пришло понимание, что человеческое тело генерирует совокупность слабых электрических сигналов в результате повреждения, стресса и других факторов, эти сигналы являются необходимым компонентом в процессах выздоровления и восстановления после болезни, и такие процессы могут быть ускорены при использовании искусственных сигналов, которые имитируют сигналы тела по частоте, форме и величине. Показано, что такие "имитирующие" сигналы оказывают на тело многочисленные воздействия, включающие в себя помощь в направлении подвижных клеток, таких как фибробласты и макрофаги для размещения их там, где они необходимы (гальванотаксис) и инициацию высвобождения факторов роста клеток, таких как трансформирующий фактор роста бета (TGF-β) и инсулин-подобный фактор роста (IGF). В результате будет происходить более быстрое заживление повреждений кожи и мышц, в том числе хронических язв, например, являющихся следствием диабета, восстановление костей с переломами, в том числе большинство несрастающихся переломов, отрастание поврежденных или разрушенных нервов, восстановление тканей, поврежденных повторяющимися движениями, как в случаях тендинита и остеоартрита, и уменьшение отека, воспаления, и боли, включающую в себя хроническую боль, при которой обычные медикаментозные виды терапии не приносят достаточного облегчения.

Некоторые из сигналов тела, такие как "потенциал повреждения" или "ток повреждения", измеряемые на ранах, представляют собой только постоянный ток, медленно меняющийся во времени. Было установлено, что восстановление перелома кости и восстановление нерва, обычно происходит быстрее вблизи отрицательного электрода, но медленнее около положительного, где в некоторых случаях может происходить атрофия или некроз тканей. Поэтому самые последние исследования были сфокусированы на формировании более высокочастотных, более сложных сигналов, часто без компонента результирующего постоянного тока.

Хотя до настоящего времени изучение наиболее сложных сигналов производилось при заживлении переломов костей, общность основных физиологических процессов во всех тканях позволяет предположить, что соответствующие сигналы будут эффективными в ускорении многих других видов заживления и процессов восстановления после болезни. Тем не менее наблюдались специфические комбинации частот и форм сигнала для борьбы с остеоартритом и бессонницей, стимуляции роста волос, уменьшения отека и воспаления, борьбы с локализованной инфекцией, ускорения заживления мягких тканей, включающих в себя кожу, нервы, связки и сухожилия, и облегчение боли без дискомфорта сопутствующего ЧЕНС (через кожная электронейростимуляция).

На фиг.1А и 1В представлен схематический вид сигнала 20, который, как было установлено, является эффективным при стимуляции заживления переломов костей, причем линия 22 (Фиг.1А) представляет сигнал при временной шкале с высоким разрешением, а линия 24 (Фиг.1В) представляет тот же сигнал при временной шкале с низким разрешением, уровни 26 и 28 представляют два различных характерных значения напряжения или тока, и интервалы 30, 32, 34 и 36 представляют промежуток времени между определенными фронтами. Уровни 26 и 28 обычно выбираются таким образом, что при усреднении по полному периоду сигнала отсутствовала компонента результирующего постоянного тока. В реальных приложениях форма сигнала 20 обычно изменяется таким образом, что все напряжения или токи экспоненциально спадали к некоторому промежуточному уровню между уровнями 26 и 28, с постоянной времени спада обычно порядка длительности интервала 34. Результат представлен линией 38 (фиг.1С).

В обычных серийных изделиях для лечения несращения костей интервал 30 составляет около 200 мкс, интервал 32 составляет около 30 мкс, интервал 34 составляет около 5 мкс и интервал 36 составляет около 60 мкс. Чередующееся повторение интервалов 30 и 32 образует пакеты 40 импульсов, каждый с длительностью, равной интервалу 34, разделенных интервалами с длительностью 36, в течение которого сигнал остается примерно на уровне 28. Таким образом, каждая форма 38 сигнала содержит прямоугольные сигналы, изменяющиеся между уровнями 26 и 28 с частотой около 4400 Гц и коэффициентом заполнения около 85%. Пакеты импульсов повторяются с частотой около 15 Гц и коэффициентом заполнения около 7,5%, чередуясь с периодами, в течение которых сигнал по существу отсутствует. Временные параметры такого сигнала могут изменяться в широких пределах, поскольку характеристики сигналов, генерируемых костью in vivo и in vitro, зависят от нескольких факторов, включающих в себя, но не ограничиваемых, тип, размер, минеральную плотность и величину нагрузки и частоту ее приложения. Отсюда считается, что остеобласты способны реагировать на ряд сигналов, отчасти отличающихся по форме сигнала и спектральному составу.

Однако ткани могут по-разному реагировать на значительно отличающиеся частоты и формы сигналов. Например, форма сигнала по фиг.1А-1С является эффективной при ускорении заживления перелома кости, но гораздо менее эффективна при замедлении развития остеопороза. С другой стороны, форма сигнала 50 (фиг.2), которую составляют единичные импульсы 52 с полярностью 26, длительностью примерно 350-400 мкс каждый, чередующиеся с интервалами 54 с полярностью 28 при частоте примерно 60-75 Гц, может замедлять и даже обращать остеопороз, но оказывает слабое воздействие на восстановление перелома. Опять же, точная форма сигнала и частота для каждого случая могут изменяться.

Интенсивность сигнала также может меняться, однако более мощные сигналы часто не приносят большей пользы, чем слабые, а иногда и меньше. Эта парадоксальная связь показана на фиг.3, где линия 60 представляет величину заживляющего эффекта при различных интенсивностях сигнала. Для обычного сигнала (такого как сигнал на фиг.1А-С), пик 62 эффективности обычно находится между одним и десятью мкА/см², и точка 64 пересечения приходится на значение примерно в сто раз большее указанного. За точкой 64 сигнал может замедлять заживление или может сам вызывать дополнительные повреждения. Похожие реакции наблюдаются в других биологических процессах, которые реагируют на электростимуляцию, включающих в себя деление клеток, синтез белка и ДНК, экспрессию генов, внутриклеточные концентрации вторичных мессенжеров. Например, тогда как обычный ЧЕНС может блокировать восприятие боли при помощи относительно сильных сигналов, подобно тому, как сигнал глушения блокирует радиосвязь, это также может приводить к прогрессирующему ухудшению повреждения, поскольку также нарушается предупреждающая функция боли.

Оказалось, важными факторами для большинства приложений, связанных с заживлением, является то, что высокочастотные сигналы появляются в пакетах, разделенных интервалами со слабым сигналом или без него, и что форма сигнала внутри этих пакетов является асимметричной. Результаты оказываются лучшими при отфильтрованных компонентах с частотой выше 50 кГц, что дает длительность фронтов порядка 5 мкс. Тесты с использованием синусоидальных сигналов, прямоугольных сигналов, частот, превышающих 50 кГц, или форм сигнала, приблизительно соответствующих таковым по фиг.1, но с коэффициентом заполнения, приближающимся к 50%, или с чрезвычайно быстрыми или медленными длительностями фронтов, показали гораздо более низкую эффективность при сопоставимых уровнях мощности.

Известно множество различных типов устройств для электростимуляции, выдающих множество различных форм сигналов от постоянного тока или постоянного напряжения, низкочастотных сигналов, до высокочастотных сигналов. В общем случае, низкочастотные сигналы и высокочастотные импульсы внутри низкочастотной огибающей обычно ориентированы на приложения для заживления тканей, тогда как более высокочастотные сигналы применяются для облегчения боли.

Электростимуляция широко применяется для заживления тканей. Например, в патенте США №5,974,342 предложено устройство с микропроцессорным управлением для лечения поврежденных тканей, сухожилий или мускулов, посредством приложения терапевтического тока. Устройство имеет несколько каналов, которые обеспечивают биполярное постоянное напряжение или ток, в том числе 100-300 мксек положительную фазу, 200-750 мксек промежуточную фазу, и 100-300 мксек отрицательную фазу, каждые 12,5-25 мсек.

В патенте США №5,723,001 раскрыто устройство для терапевтического лечения тканей человеческого тела при помощи импульсного радиочастотного электромагнитного излучения. Устройство генерирует пакеты импульсов, имеющих частоту 1-100 МГц, с 100-100000 импульсами в пакете, и скоростью повторения пакетов 0,01-1000 Гц. Огибающая импульсов может быть периодической, апериодической или случайной.

В патенте США №5,117,826 описаны устройство и способ для комбинированной стимуляции нервных волокон и тканей тела. Устройство генерирует пары биполярных импульсов для стимуляции нервных волокон, и результирующий стимул постоянного тока для воздействия на ткани тела (что обеспечивается последовательностью биполярных импульсов, имеющих большее количество отрицательных, чем положительных импульсов). В патенте США №4,895,154 раскрыто устройство для ускоренного заживления повреждений мягких тканей, содержащее множество генераторов сигналов для генерации выходных импульсов. Интенсивность, полярность и частота выходных импульсов может меняться при помощи набора кнопок управления или переключателей на передней панели устройства.

В патенте США №5,018,525 раскрыто устройство, генерирующее последовательность импульсов, состоящую из пакетов, имеющих одинаковую ширину, где каждый пакет состоит из набора импульсов определенной частоты. Количество импульсов меняется от одного пакета к другому. Частота импульсов в каждом пакете меняется от пакета к пакету в соответствии с изменением количества импульсов в каждом пакете. Импульсы имеют частоту 230-280 кГц, коэффициент заполнения пакетов находится в пределах от 0,33% до 5,0%.

В патенте США №5,109,847 раскрыто портативное неинвазивное электронное устройство, генерирующее сигнал постоянного тока определенной формы, которая ограничена по току и содержит несущую частоту по меньшей мере с двумя видами низкочастотной модуляции. Частота несущей находится в пределах 1-100000 кГц, частоты модулирующих сигналов, имеющих квадратную или прямоугольную форму, составляют 0,01-199 кГц и 0,1-100 кГц. Коэффициенты заполнения могут меняться, но обычно составляют 50%, 50% и 75% для трех указанных форм сигналов.

Стимулятор тканей по патенту США №4,612,934 включает в себя имплантируемый, подкожный приемник и имплантируемые электроды. После имплантации приемник может неинвазивно программироваться для стимуляции различных электродов или изменения параметров стимуляции (полярности и параметров импульса) для получения требуемой реакции. Программируемые данные передаются в виде сигнала, модулирующего несущую. Запрограммированные стимулы могут меняться в ответ на измеряемые физиологические параметры и полное сопротивление электродов.

В патенте США №4,255,790 раскрыта программируемая система генерации импульсов, в которой периоды времени и подинтервалы выходных импульсов определяются на основе сигналов схемы генерации опорной частоты и пары параллельных наборов схем деления частоты, соединенных с указанной схемой. Временные периоды, подинтервалы и выходная форма сигнала являются изменяемыми.

В патенте США №3,946,745 раскрыто устройство для генерации положительных и отрицательных электрических импульсов для терапевтических целей. Устройство генерирует сигнал, содержащий последовательные пары импульсов, причем импульсы в каждой паре имеют противоположенные полярности. Амплитуда, длительность, интервал между импульсами в каждой паре и интервал между последовательными парами импульсов меняются независимо.

В патенте США №3,589,370 раскрыт электронный стимулятор мускулов, генерирующий пакеты двунаправленных импульсов путем подачи однонаправленных импульсов на подходящий преобразователь.

В патенте США №3,294,092 раскрыто устройство, генерирующее электрические токи для противодействия мускульной атрофии, происходящей вследствие недостаточного питания, удаления экссудатов и уменьшения образования рубцов. Амплитуда выходных сигналов является изменяемой.

В патентах США №5,217,009, №5,413,596, №6,011,994, №6,321,119 и заявке на патент США №09/935,007 раскрыты генераторы сигналов для биомедицинских приложений. Генераторы создают импульсные сигналы, имеющие фиксированную и изменяемую амплитуду, фиксированную, изменяемую и качающуюся частоту, и, в некоторых случаях, необязательное постоянное смещение.

Широкодоступными являются устройства для применения в чрезкожной электронейростимуляции ("ЧЕНС") для облегчения боли. Например, в патенте США №5,487,759 раскрыто устройство с батарейным питанием, которое может применяться с различными типами вспомогательных устройств, удерживающих контактные площадки электродов в заданном положении. Подключаемые разъемы предоставляют двоичный код, который используется для определения типа используемого вспомогательного устройства для согласования полного сопротивления и настройки несущей частоты. Несущая частота составляет примерно 2,5-3,0 кГц, терапевтическая частота находится обычно в пределах 2-100 Гц.

В патенте США №5,350,414 раскрыто устройство, в котором частота импульсов несущей, частота импульсов модуляции, интенсивность, частотная/амплитудная модуляция управляются микропроцессором. Устройство включает в себя схему импульсной модуляции, в которой частота несущей согласуется с нагрузкой электрод-ткань на участке, подвергаемом терапии, для обеспечения более эффективной передачи энергии.

В патенте США №4,784,142 раскрыто устройство и способ электронного обезболивания зубов. Устройство генерирует выходные импульсы с относительно высокой частотой 12-20 кГц с асимметричной низкочастотной 8-20 Гц модуляцией.

В патенте США №5,063,929 раскрыто управляемое микропроцессором устройство, генерирующее двухфазные выходные импульсы постоянного тока. Интенсивность стимуляции может изменяться пользователем.

В патенте США №4,938,223 раскрыто устройство с выходным сигналом, включающим в себя пакеты стимулов с нарастающей и уменьшающейся амплитудами, причем амплитуда каждого стимула представляет собой фиксированную долю от амплитуды пакета. Сигнал модулирован по амплитуде для предотвращения адаптации реакции пациента.

В патенте США №4,541,432 раскрыто устройство электростимуляции нервов для облегчения боли. Устройство генерирует биполярный прямоугольный сигнал с заранее выбранной частотой повторения и шириной для первого временного периода. Затем генерируется прямоугольный сигнал с псевдослучайной частотой для второго временного периода, и для третьего, псевдослучайного периода времени, сигнал подавляется. Утверждается, что по существу устраняется адаптация нервных клеток к стимуляции.

В патенте США №4,431,000 предложен подкожный стимулятор нервов для лечения афазий и других расстройств речи и языка, имеющих неврологическую основу. Устройство использует генератор псевдослучайных импульсов для образования псевдослучайной последовательности импульсов, состоящей из трапецеидальных униполярных импульсов, имитирующих формы типичных физиологических сигналов, таких как альфа-ритм мозга. Серии таких импульсов имеют нулевой уровень ПТ. Источник тока в устройстве уменьшает воздействие меняющихся факторов, таких как сопротивление кожи.

В патенте США №4,340,063 раскрыто устройство для стимуляции, которое может быть имплантировано или наложено на тело пациента. Амплитуда импульса уменьшается вместе с уменьшением ширины импульса по кривой, определяемой из гиперболической кривой сила-длительность. Утверждается, что это дает в результате пропорционально большее восстановление нервных волокон вследствие нелинейной связи между шириной импульса и порогом.

Система по патенту США №4,338,945 генерирует импульсы, флуктуирующие по закону 1/f. Таким образом, спектральная плотность флуктуаций изменяется как величина, обратная частоте: стимулы удовольствия часто имеют стохастические флуктуации, распределенные по указанному закону. Система генерирует последовательность иррегулярных импульсов, которые, как утверждается, обеспечивают успокоение пациента во время стимуляции.

Генераторы сигналов также используются в слуховых протезах. Например, приемник/стимулятор по патенту США №4,947,844 генерирует серию коротких распределенных импульсов тока с интервалами с нулевым током между импульсами, имеющими продолжительность большую, чем каждый распределенный импульс. Форма токовых стимулов включает в себя серии указанных распределенных импульсов одной полярности и следующих за ними равного количества распределенных импульсов противоположенной полярности, таким образом, что суммарный электрический заряд, переносимый через электроды, примерно равен нулю.

В патенте США №4,754,759 раскрыт ускоритель проводимости нервов, генерирующий последовательность импульсов "ступенчатой формы", у которых пиковая отрицательная амплитуда составляет две третьих от пиковой положительной амплитуды. Конструкция ускорителя основана на Фурье-анализе потенциалов действия нервов; выходная частота может изменяться в пределах 1-1000 Гц.

В патенте США №4,592,359 раскрыт многоканальный имплантируемый стимулятор нервов, в котором каждый канал данных выполнен с возможностью передачи информации в монополярной, биполярной или аналоговой форме. Устройство включает в себя переключатели баланса заряда, выполненные с возможностью устранения остаточного заряда при выключении источников тока. Утверждается, что при отсутствии постоянного тока или заряда предотвращается повреждение электродов и рост кости.

Традиционная западная медицина неохотно принимает электротерапию, несмотря на его высокий терапевтический потенциал, и до настоящего времени она используется только изредка. Возможно, это является наследием старых убеждений, что для повышения эффективности сигналы должны иметь высокие локальные интенсивности. Большинство устройств для электротерапии, доступных в настоящее время, основаны либо на непосредственной имплантации электродов или целых пакетов электродов, либо индуктивной связи через кожу. Требование хирургического вмешательства и биосовместимых материалов в одном случае, и чрезмерная сложность схемы и входная мощность - в другом, удерживает стоимость большинства таких устройств (не говоря уже о устройствах ЧЕНС) относительно высокой, и ограничивает их применение необходимостью высококвалифицированного персонала. Отсюда остается потребность в универсальном, рентабельном устройстве, которое может применяться для биоэлектрической стимуляции в широком спектре приложений, в том числе ускорение заживления и облегчение боли.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создание устройства и способа генерации электрических сигналов для использования в биомедицинских приложениях. Формируемый сигнал согласно изобретению содержит асимметричную, биполярную волну, состоящую из периодических пакетов квазипрямоугольных волн, основанных по меньшей мере на четырех временных интервалах Т₁-Т₄, более предпочтительно, сигнал основан на семи временных интервалах Т₁-Т₇. Устройство содержит первый времязадающий блок для генерации временных интервалов Т₁ и Т₂, второй времязадающий блок для генерации временных интервалов Т₃ и Т₄, причем времязадающие блоки также генерируют интервалы Т₅, Т₆, и Т₇, если они присутствуют, блок межсоединений для комбинирования указанных интервалов в выходной сигнал, имеющий заранее определенные соотношения между интервалами, выходной блок для передачи выходного сигнала к нагрузке, такой как ткань, воздействие на которую производится устройством, блок батарей, и, по выбору, фильтр для удаления нежелательных компонентов спектра из выходного сигнала, и блок настройки для выбора из набора выходных сигналов с заранее определенными характеристиками. Сигнал имеет первый уровень L₁ амплитуды, в течение интервалов Т₁, Т₅, и Т₆, второй уровень L₂ в течение интервалов Т₂ и Т₄, и третий уровень L₃ в течение интервала Т₇, причем L₃ находится между уровнями L₁ и L₂, включая их.

Заявленное устройство является легким, компактным, автономным, рентабельным в производстве и обслуживании и удобно для переноски или ношения в течение длительного времени. Оно является безопасным для безнадзорного домашнего использования, не требующем специального обучения, и обеспечивает генерацию упомянутых выше выходных сигналов и эффективную их передачу через проводящие площадки, образующие непосредственный контакт с нагрузкой. Поскольку используются только низкие напряжения и слабые токи, устройство не представляет опасности электрического удара даже в случае неисправности. Питание обеспечивается компактными и недорогими батареями, которые требуют замены только раз в течение нескольких недель использования.

Устройство может использоваться in vivo, настраиваемой электротерапии для пациентов - людей и животных, в том числе, но не ограничиваясь, для ускорения заживления, облегчения острых или хронических болей и уменьшения отека и/или воспаления. Поскольку изолированные клетки или культуры тканей также могут быть подвержены влиянию электротерапевтических сигналов (наблюдалось изменение скоростей клеточного метаболизма, секреции и репликации), устройство также может применяться in vitro. В отличие от устройств типа ЧЕНС, которые предназначены для блокировки болевых импульсов в нервной системе, настоящее устройство работает при уровне сигналов, не превышающем обычный пороговый уровень человека: большинство пользователей не испытывают никаких ощущений в процессе терапии, за исключением постоянного уменьшения ранее присутствующей боли. Считается, что устройство воздействует непосредственно на участок, подвергаемый терапии, посредством усиления высвобождения химических факторов, таких как цитокины, вовлеченные в клеточные реакции на различные физиологические состояния. Это имеет следствием усиление потока крови и подавление дальнейшего воспаления участка, подвергаемого терапии, тем самым усиливая естественные процессы заживления тела.

Выходной сигнал является важным отличительным признаком настоящего изобретения. Выходной сигнал представляет собой форму сигнала, основанную, по меньшей мере, на четырех временных интервалах Т₁-Т₄, имеющих следующие соотношения:

(а) (2×Т₂)≤Т₁≤(20×Т₂)

(b) 50 мксек ≤ (Т₁+Т₂)≤5000 мксек

(с) Т₃≥(10×Т₁)

(d) Т₄≤500 мсек,

причем сигнал имеет первый уровень L₁ амплитуды в течение интервала Т₁ и второй уровень L₂ амплитуды в течение интервалов Т₂ и Т₄, при этом интервалы Т₁ и Т₂ чередуются с интервалом Т₃, и интервалы Т₃ и Т₄ также чередуются.

Более предпочтительно, форма сигнала основывается на семи временных интервалах Т₁-Т₇, с тремя различными уровнями амплитуды, как было описано выше. Временные интервалы приблизительно имеют следующие соотношения:

(а) (2×Т₂)≤Т₁≤(20×Т₂)

(b) 50 мксек ≤ (Т₁+Т₂)≤5000 мксек

(с) Т₃≥(10×Т₁)

(d) 0≤Т₄ ≤500 мсек

(e) 0≤Т₅≤Т₁

(f) 0≤Т₆≤Т₁

(g) 0≤Т₇≤500 мсек

(h) 5 мсек ≤ (Т₃+Т₄+Т₇)≤500 мсек

В предпочтительном варианте осуществления изобретения интервал Т₃ включает в себя следующую последовательность: интервал Т₅, за которым следует, по меньшей мере, одна пара интервалов (Т₁, Т₂) и затем интервал Т₆. Временные интервалы и уровни амплитуды являются изменяемыми, обеспечивая сигнал, который может быть настроен для широкого спектра терапевтических приложений.

Устройство генерации сигнала содержит времязадающие блоки, такие как генераторы или автоколебательные мультивибраторы для формирования временных интервалов, соединенных таким образом, что первый времязадающий блок управляет вторым времязадающим блоком через блок межсоединений. Устройство может включать в себя блок переключения, позволяющий пользователю выбирать из набора пар значений интервалов (Т₁, Т₂), набора пар значений интервалов (Т₃, Т₄), и набора уровней L₁-L₃ выходной амплитуды. Более предпочтительно, переход между любыми двумя уровнями с L₁ по L₃ имеет постоянную времени спада, не превышающую примерно ½Т₂. При необходимости, устройство может генерировать сигнала формы, в которой все уровни амплитуды спадают к уровню L₄, находящемуся между L₁ и L₂. В этом случае L₄ может быть равным L₃, но может и не быть равным ему, и спад происходит с временной константой, не превышающей примерно 10 периодов Т₁. Таким образом, выходной сигнал является настраиваемым как по форме сигнала, так и по амплитуде, удовлетворяя требования отдельного пользователя и конкретного приложения.

Другим отличительным признаком настоящего изобретения является обеспечение интервала Т₇, в течение которого на нагрузке вместо низкого уровня L₂ присутствует промежуточный уровень L₃ напряжения или тока. Это позволяет минимизировать энергию на нагрузке, например, ткани, подвергаемой воздействию при помощи устройства в течение указанного интервала покоя между двумя пакетами импульсов.

Еще одним отличительным признаком настоящего изобретения является фильтр, задерживающий частоты выше выбранного уровня, т.е. частоты, превышающие наибольшую целенаправленно генерируемую частоту, для создания требуемого профиля фронта импульса или для предотвращения создания помех внешним источникам высокочастотных сигналов. Например, фильтр может включать в себя шунтирующую емкость, цепь резисторов, управляемый напряжением источник тока, или другое подходящее устройство, одновременно замедляющее и управляющее скоростями нарастания (фронтов), и ослабляет выходные компоненты с частотой, превышающей 50 кГц (или другой выбранной частотой), и предотвращают создание помех устройствам, работающим с внешними высокочастотными сигналами.

Еще одним отличительным признаком настоящего изобретения является применение сдвоенных времязадающих блоков для генерации форм сигналов, которые могут быть скомбинированы для получения форм сигналов, имеющих выбранные характеристики. В предпочтительном варианте осуществления изобретения, один из двух времязадающих блоков управляется другим, то есть выход второго блока "включен" или "выключен" в зависимости от того, является ли выход первого блока соответственно "низким" или "высоким". В результате получается схема, генерирующая выходной сигнал, характеристики которого - частота, коэффициент заполнения, амплитуда - могут определяться в широких пределах посредством конкретного выбора компонентов. Две такие схемы с выходными сигналами, имеющие подходящие выбранные характеристики, могут быть скомбинированы для поручения требуемой формы выходного сигнала, с временными интервалами с Т₁ по Т₇, при чрезвычайно простой схеме.

Другим отличительным признаком настоящего изобретения является использование обычных, легкодоступных низковольтных батарей в качестве источника питания настоящего устройства. Хотя устройство может использоваться с источниками переменного тока совместно с подходящим адаптером, батарейное питание не только уменьшает размер и вес устройства, но также обеспечивает дополнительную безопасность и простоту применения для пациента, проходящего лечение. Обычно батареи нуждаются в замене не очень часто, в общем случае не чаще, чем раз в течение нескольких недель, в зависимости от выходного сигнала и конкретного использования, упрощая взаимодействие с пациентом и уменьшая затраты на эксплуатацию. Возможность поражения электрическим током снижена, поскольку генератор не соединен в процессе использования с сетью переменного тока, не генерирует высокое напряжение и не генерирует частоты способные вызвать фибрилляцию сердечных желудочков. К телу прикладываются только низкие уровни мощности, необходимые для терапевтического эффекта. Таким образом, генератор не создает риска поражения электрическим током даже в случае неисправности, поэтому устройство подходит для домашнего использования.

Еще одним отличительным признаком настоящего изобретения является его универсальность. Компоненты устройства выбраны таким образом, что генерируют выходной сигнал с выбираемыми временными интервалами с Т₁ по Т₇ и уровнями выходных напряжений (или токов) с L₁ по L₃. Как указывалось выше, ткани могут по-разному реагировать на сигналы с различными частотами, на чистый сигнал переменного тока или на сигнал переменного тока с наложенной положительной или отрицательной компонентой постоянного тока. Аналогично могут проявляться различные эффекты при различных плотностях тока (фиг.3).

Устройство с регулируемым выходным сигналом является полезным в более широком спектре приложений, чем устройство с фиксированным выходом. С другой стороны, медицинские работники могут предпочесть генератор, имеющий фиксированный выход, либо выход, регулируемый только по амплитуде, для амбулаторного применения пациентами. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения пользователь может выбирать сигнал для данного приложения, проводя настройку по круговой шкале или используя клавиатуру для выбора одного из набора доступных сигналов, перечисленных выше.

Еще одним отличительным признаком настоящего изобретения является возможность отключения выходного сигнала по истечении заранее определенного периода воздействия, обращения полярности в заранее определенных интервалах, либо выполнение и того и другого. Необязательное времязадающее устройство позволяет настраивать воздействие для конкретного пациента.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из приведенного описания, где раскрыты предпочтительные варианты осуществления изобретения, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1А и 1В изображают сигналы, используемые в настоящее время при стимуляции заживления перелома с низким и высоким разрешениями;

фиг.1С - модифицированную форму сигнала на фиг.1В;

фиг.2 - форму сигнала, используемую при терапии остеопороза;

фиг.3 - зависимость заживляющего эффекта от интенсивности (амплитуды) сигнала;

фиг.4 - форму используемого сигнала, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения;

фиг.5А-5F - конкретные варианты форм используемых сигналов, согласно изобретению;

фиг.6 - блок-схему устройства для генерации электрических сигналов, согласно изобретению;

фиг.7 и 8 - схему асимметричного генератора и схему сдвоенного асимметричного генератора, используемых в устройстве, согласно изобретению;

фиг.9 - формы выходных сигналов устройства, согласно изобретению;

фиг.10, 11 и 12 - источник питания, пара времязадающих блоков, и блок коммутации напряжения и фильтр с соответствующими схемами, применяемые в устройстве, согласно изобретению;

фиг.13 - формы пары выходных сигналов, согласно изобретению;

фиг.14 - форму сигнала, в которой уровни напряжения настроены таким образом, что образуется значительный компонент постоянного тока сигнала, согласно изобретению;

фиг.15 - альтернативный вариант схемы по фиг.12 для формирования сигнала, представленного на фиг.14, согласно изобретению;

фиг.16А и 16В - форму сигнала с компонентом постоянного тока с обращенной полярностью на выбранных интервалах, согласно изобретению;

фиг.17 - форму сигнала с компонентом постоянного тока и периодически обращаемой полярностью и отключаемого по истечении заранее выбранного периода воздействия, согласно изобретению;

фиг.18 - альтернативный вариант схемы для формирования сигнала по фиг.15 и 16, согласно изобретению;

ОПИСАНИЕ НАИЛУЧШИХ ВАРИАНТОВ осуществления изобретения

Согласно изобретению устройство для биоэлектрической стимуляции предназначено для формирования сигнала, форма которого имеет вид примерно прямоугольных или квазипрямоугольных асимметричных импульсов, повторяющихся с заданной частотой ниже примерно 50 кГц, с отфильтрованными частотами выше примерно 50 кГц, хотя могут использоваться разные частоты среза. Указанные импульсы организованы в виде пакетов, повторяющихся, в свою очередь, с более низкой частотой. Характеристики формы сигнала изменяются в соответствии с различными приложениями или тканями, подвергаемых воздействию, как это будет более детально описано ниже.

На фиг.4 показана форма 70 сигнала согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения. Сигнал, обозначенный линией 72, имеет несколько временных интервалов Т₁-Т₇, обозначенных как интервалы 74а-74g, соответственно, и три уровня L₁-L₃ напряжения или тока, обозначенные как 76а-76 с. Хотя уровень L₁, расположенный выше L₂, необходимо понять, что L₁ не является обязательно либо положительным, либо отрицательным по отношению к L₂. Интервалы Т₁-Т₇ соотносятся следующим образом:

(а) (2×Т₂)≤Т₁≤(20×Т₂)

(b) 50 мксек ≤ (Т₁+Т₂)≤5000 мксек

(с) Т₃≥(10×Т₁)

(d) 0≤Т₄≤500 мсек

(e) 0≤Т₅≤Т₁

(f) 0≤Т₆≤Т₁

(g) 0≤Т₇≤500 мсек

(h) 5 мсек ≤(Т₃+Т₄+Т₇)≤500 мсек

Интервал 74а (Т₁) в 2-20 раз превышает, а предпочтительно в семь раз превышает, интервал 74b (Т₂), что соответствует коэффициенту заполнения примерно 5%-33%. Сумма Т₁ и Т₂ находится в пределах 50-5000 мксек. Интервалы 74е (Т₅) и 74f (Т₆) варьируются по длительности от нуля до Т₁. Интервал 74 с (Т₃) составляет по меньшей мере десять интервалов 74а (Т₁). Сумма 74 с (Т₃), 74d (Т₄) и 74g (Т₇) находится в пределах от 5 мсек до 500 мсек, и предпочтительно составляет 70 мсек. Необходимо понять, что указанные пределы являются приблизительными, значения Т₁-Т₇ вне указанных пределов также могут быть приемлемы. При соблюдении указанных ограничений любой из интервалов Т₄, Т₅, Т₆ и Т₇ или их комбинация могут иметь любую длительность, в том числе нулевую.

Интервалы Т₁ и Т₂ формируют цикл чередования Т₁, Т₂, Т₁, Т₂ и т.д., представляющий противоположенные фазы прямоугольной волны, частота которых находится в пределах 200 Гц-20 кГц. Аналогично, интервалы Т₃, Т₄ и Т₇ формируют цикл чередования Т₃, Т₄, Т₇, Т₃, Т₄, Т₇ и т.д., представляющий последовательные фазы в трехфазной волне, частота которых находится в пределах 5-50 Гц. Каждый интервал Т₃ разделен на набор более коротких интервалов, начиная с единичного интервала Т₅, с последующим набором интервалов Т₁ и Т₂, чередующихся, как описано выше, и заканчивая единичным интервалом Т₆, окончание которого совпадает с окончанием интервала Т₃, так что иллюстративный (хотя и нетипично короткий) пример может быть Т₅, Т₁, Т₂, Т₁, Т₂, Т₆. Интервалы Т₄ и Т₇ не делятся подобным образом.

Первый и последний уровни L₁ (уровень 76а) и L₂ (уровень 76b) напряжения или тока имеют противоположенную полярность и определяют диапазон между ними, который, при выполнении воздействия на ткань формой 70 сигнала, составляет несколько мВ/см (напряжение) или несколько мкА/см² (ток). В пределах этого диапазона лежит третий и необязательный четвертый уровни L3 (уровень 76) и L₄ (уровень 76е) напряжения или тока, каждый из них может иметь любое значение в диапазоне L₁-L₂ (для многих приложений как L₃, так и L₄ могут быть нулевыми).

В течении полного цикла формы 70 сигнала, напряжения или токи принимают значение уровня L₁ (уровень 76а) на интервалах Т1, Т₅ и Т₆, значение уровня L₂ (уровень 76b) на интервалах Т₂ и Т₄, и значение уровня L₃ (уровень 76 с) на интервале Т₇. (Интервал Т₃ разделен, как описывалось выше). Переходы между уровнями напряжения или тока предпочтительно описываются экспоненциальным приближением к новому уровню с постоянной времени t₁, не превышающей одной шестой Т₂. Более предпочтительно, указанная постоянная времени составляет примерно 5 мксек, так что компоненты с частотами выше примерно 50 кГц подавляются. При необходимости напряжение или ток после каждого такого перехода также могут экспоненциально спадать к L₄, при условии, что такой спад имеет постоянную времени t₂, превышающую десять периодов Т₁.

Постоянная времени τ спада определяется как период, в течение которого начальная величина уменьшится в е раз, или примерно 2,71828 до ее конечного значения. Таким образом, по истечении времени, равного постоянной времени, конечное значение уменьшается примерно до 27% от начального значения. По истечении трех постоянных времени конечное значение уменьшается до примерно 5%, и переход можно считать по существу завершенным. Для перехода между уровнями напряжения или тока, указанный спад составляет примерно 15 мксек, или одну вторую Т₂, используя наименьшее значение.

Основное различие между формами сигнала на фиг.4 и фиг.1 заключается в наличии заключительного интервала Т₇ (74g), в течении которого на выходе или ткани, подвергаемой воздействию, присутствует промежуточный уровень L₃ (76d) напряжения или тока, а не низкий уровень L₂ (76b). Целью такого изменения является минимизация количества энергии, приложенной к обрабатываемому материалу в течении указанного периода покоя между пакетами импульсов.

Линия 38 на фиг.1 показывает, что значительное количество заряда остается на внешних конденсаторах или других фильтрующих устройствах и экспоненциально спадает в течении интервала 36 между пакетами импульсов. На фиг.4, напротив, интервал Т₄ (74d) определяет отрицательный "выравнивающий" импульс при уровне L₂ напряжения или тока, который по существу нейтрализует любой заряд, оставшийся на указанных устройствах. Сразу после указанной нейтрализации происходит переход к уровню L₃ (76c) таким образом, что в течение интервала Т₇ (76с), завершающем цикл, отсутствует заметный выходной ток.

Необходимо заметить, что форма 70 сигнала (фиг.4) не показывает переход между интервалом Т₅ и первым интервалом Т₁ в любом интервале Т₃, поскольку форма 70 сигнала имеет уровень L₁ как на интервале Т₁, так и Т₅. Аналогично, если Т₆ стремится к нулю, находясь в пределах долей обычного времени перехода, то переход отсутствует, поскольку форма 70 сигнала имеет уровень L₂ как на интервале Т₂ так и на интервале Т₄.

Специальный случай описанной выше формы сигнала получается, если все интервалы Т₄, Т₅, Т₆ и Т₇ стремятся к нулю, создавая в результате форму сигнала в виде непрерывной последовательности импульсов, последовательно меняющийся между уровнями L₁ и L₂ напряжения или тока на интервалах Т₁ и Т₂, соответственно, как показано на фиг.5А. В этом случае Т₃ (74с) формы 80в сигнала может рассматриваться как имеющий любую длительность, являющуюся целым произведением суммы Т₁ и Т₂.

Дополнительные конкретные варианты осуществления формы 70 сигнала показаны на фиг.5В-F. Для ясности временные интервалы и уровни напряжения на каждой форме сигнала, показанной на чертежах отдельно не обозначены. Форма 80b сигнала (фиг.5В) представляет один пакет импульсов, в котором Т₁ является относительно большим, по сравнению с Т₃, так что пакет содержит сравнительно мало отдельных импульсов. Для сравнения, форма 80 с сигнала (фиг.5С) представляет один пакет импульсов, в котором Т₁ является относительно малым, по сравнению с Т₃, так, что пакет содержит сравнительно много отдельных импульсов.

Форма 80d сигнала (Фиг.5D) представляет два полных пакета импульсов, в которых Т₃ является относительно малым, по сравнению с Т₇, так, что пакеты импульсов занимают сравнительно малую часть общей длительности. Для сравнения, форма 80е сигнала (фиг.5Е) представляет два полных пакета импульсов, в которых Т₃ является относительно большим, по сравнению с Т₇, так, что пакеты импульсов занимают сравнительно большую часть общей длительности. Форма 80f сигнала (фиг.5F) представляет предельный случай той же последовательности, в которой все интервалы Т₄, Т₅, Т₆ и Т₇ стремятся к нулю, давая в результате форму сигнала, подобную показанной на фиг.1А. Хотя форма пакетов импульсов, подобная формам 80b-80d, в общем, является предпочтительной, непрерывные формы сигнала, подобные форме сигнала 80f с одинаковыми значениями Т₁ и Т₂, также могут быть эффективными. Оптимальный протокол воздействия зависит от нескольких факторов, включающих в себя состояния и время, доступное для воздействия. Очевидно, что конкретные варианты осуществления общей формы 70 сигнала в дополнение к показанным на фиг.5A-F соответствуют существу настоящего изобретения.

Описанные выше формы сигнала могут быть сконфигурированы таким образом, что будут "сбалансированы по заряду", то есть взаимодействие Т₁-Т₇ и L₁-L₄ приводит к тому, что суммарный ток за произвольно длинный период воздействия равен нулю или имеет близкое к нулю значение, поскольку заряд, покидающий электрод в течение всех периодов отрицательного тока, равен заряду, входящему в него в течение всех периодов положительного тока. В случае сбалансированности по заряду отсутствует компонента постоянного тока, а сигнал содержит по существу чистый переменный ток. Заряд может быть сбалансирован, например, либо посредством размещения блокирующего постоянный ток конденсатора в выходной цепи, либо установкой L₃ в ноль, L₁ и L₂ равными, но с противоположенными полярностями, и Т₄=Т₅+Т₆ + все Т₁ - все Т₂, при этом в каждом цикле L₁ и L₂ соответствует одинаковое время.

Для любой формы 70 или 80а-80f сигнала один или более параметров, таких как сумма интервалов Т₁ и Т₂ или расстояние между уровнями L₁ и L₂ напряжения/тока могут меняться для каждого конкретного случая. Например, L₁ и L₂ могут настраиваться предпочтительно совместно, так что соотношение между ними сохраняется для компенсации изменяющегося полного сопротивления кожи пользователя или для активации различных процессов восстановления. Аналогично, промежуток между напряжениями или токами L₁ и L₂ на выходе устройства, оказывающего воздействие, может меняться таким образом, чтобы компенсировать различное поперечное сечение тканей, подвергаемых воздействию, или для изменения оптимальной плотности тока для различных тканей.

Считается что состояния, излечиваемые при помощи форм сигнала, таких как 70 или 80а-80f, включают в себя, но не ограничиваются, переломы костей, остеопороз, острая боль, хроническая боль, отек, простое воспаление и воспалительные расстройства, такие как тендинит (в том числе кистевой туннельный синдром и другие повреждения, связанные с повторяющейся нагрузкой) и остеоартрит. Однако необходимо понять, что ни один из наборов временных интервалов Т₁-Т₇ и уровней L₁-L₃ (или L₁-L₄) напряжения/тока не является подходящим для лечения всех (или даже большинства) указанных состояний. Ускоренное заживление ран, связанных с различными типами тканей, и являющимися результатом либо травмы, либо дегенеративных состояний, таких как диабет, также могут рассматриваться для лечения при помощи форм 70 или 80а-80f сигнала. Считается, что подходящие уровни напряжения/тока и временные интервалы могут применятся при лечении более широкого спектра состояний, этиология которых связана с неверными скоростями или дисбалансом клеточного метаболизма, секреции и репликации, или которые могут быть облегчены при помощи подходящего изменения этих факторов. Поэтому оптимальные характеристики формы сигнала для каждого конкретного приложения лучше всего устанавливаются, используя сбалансированную комбинацию наблюдений и экспериментов.

Форма 70 или 80а-80f сигнала может генерироваться при помощи устройства 90 (фиг.6). Устройство 90 содержит первый времязадающий блок 92, генерирующий последовательность интервалов Т₁ и Т₂, и, необязательно, также Т₅ и Т₆, второй времязадающий блок 94, генерирующий интервал Т₃, и, необязательно, также Т₄ и Т₇, соединительный блок 96, комбинирующий сигналы из блоков 92 и 94 таким образом, что последовательность интервалов Т₁ и Т₂ появляется только в течении интервалов Т₃, коммутатор 98 тока или напряжения, генерирующий выходной сигнал подходящей интенсивности, необязательный блок 100 настройки для изменения временных параметров сигнала и его интенсивности, т.е. амплитуды, фильтр 102, удаляющий нежелательные компоненты сигнала и, предпочтительно, также определяющий постоянные времени фронтов и спадов, соединительный блок 104, подводящий сигнал к нагрузке 106 (культура клеток, ткань, организм или его часть, и т.п.) и источник 108 питания, обеспечивающий энергию, позволяющую другим элементам устройства 90 функционировать.

Блок 100 регулировки, если он присутствует, может предоставлять возможность выбора из набора парных значений интервалов Т₁ и Т₂, интервалов Т₄ и Т₇, или из обоих наборов интервалов. Более предпочтительно, такие значения парных интервалов выбираются таким образом, что рабочая частота устройства 90 изменяется при сохранении коэффициента заполнения или наоборот. Например, один набор парных значений интервалов Т₄ и Т₇ может быть таким, при котором оба интервала стремятся к нулю, тем самым образуя выходную последовательность импульсов, такую как форма сигнала 80f.

Необязательный блок 100 настройки может предоставлять возможность выбора из набора значений уровней L₁, L₂ и L₃ напряжения или тока для создания оптимальной плотности тока в живой ткани, подвергаемой воздействию (например, нагрузке 106), какая может быть необходимой или требуемой для конкретного приложения. С этой целью коммутатор 98 может генерировать выходную форму 70 или 80а-80f сигнала в виде напряжения, которое затем преобразуется в ток при прохождении через подходящий резистор, цепь резисторов, либо управляемый напряжением источник тока, образуя часть фильтра 102 под управлением блока 100 настройки.

Если требуется сбалансированный по заряду выход, фильтр 102 предпочтительно содержит один или несколько неполярных конденсаторов или комбинаций электролитических конденсаторов со встречным включением, подсоединенных последовательно с выходом, чтобы блокировать любой компонент постоянного тока в сигнале, за исключением случаев, когда такой компонент необходим для конкретного приложения. Для фильтра 102 возможны другие типы устройств.

Фильтр 102 предпочтительно также содержит устройства для блокировки частот выше выбранного уровня, т.е. частот, превышающих генерируемые, для создания подходящего профиля фронта или для предотвращения создания помех внешним источникам высокочастотных сигналов, насколько это необходимо. Например, фильтр 102 может содержать шунтирующую емкость, расположенную между выходными линиями, после того, как сигнал проходит через вышеупомянутые резистор, цепь резисторов или управляемый напряжением источник тока, чтобы одновременно управлять скоростью переключения, ослаблять выходные компоненты с частотой, превышающей примерно 50 кГц, и предотвращать создание помех схемам, работающим с внешними радиочастотными сигналами.

Фильтр 102 может также содержать выпрямитель для преобразования нормально биполярного выхода, не содержащего постоянного тока, в квазиуниполярный выход с управляемым содержанием постоянного тока, что может требоваться для заживления ран. Если используется выпрямитель, коммутатор также должен быть выполнен с возможностью подключения и отключения выпрямителя, что может требоваться в конкретных случаях или фазах воздействия. При использовании выпрямителя, может быть удобным исключить интервал Т₇, либо установить выходные уровни L₂ и L₃ сравнительно близко друг к другу.

Блоки 92, 94, 96, 98, 100, 102, 104, 108 могут быть реализованы различным образом. Например, времязадающие блоки 92 и 94 оба могут быть автоколебательными мультивибраторами, выходные сигналы которых в дальнейшем обрабатываются цифровой логикой, составляющей соединительный блок 96. Альтернативно, времязадающий блок 92 может быть автоколебательным мультивибратором с последующим преобразованием его сигналов времязадающим блоком 94 цифровым способом, например, при помощи последовательных делителей частоты. Времязадающие блоки 92 и 94 могут преобразовывать цифровым способом сигнал общего таймера, используя последовательные делители или микропроцессор. При еще одном подходе, оба времязадающих блока 92 и 94 могут быть автоколебательными мультивибраторами с блоком 94, управляющим блоком 92 таким образом, что блок 92 работает, генерируя интервалы Т₁ и Т₂ только в течении интервала Т₃, и выключен все остальное время.

Времязадающий блок, подходящий для генерации асимметричных повторяющихся форм сигнала, таких как 70 и 80а-80f, основан на комплементарной логике металл-оксид-полупроводник (КМОП). Малоизвестным фактом является то, что логические вентили КМОП могут работать как аналоговые или цифровые устройства, либо как те и другие одновременно. Это позволяет выполнять множество операций по генерации обработке сигналов чрезвычайно эффективным и непосредственным способом, используя логические вентили КМОП с аналоговыми или смешанными сигналами в качестве входных. Известен самозапускающийся, асимметричный КМОП генератор (с технической точки зрения, автоколебательный мультивибратор), основанный на этом принципе, содержащий два инвертирующих логических вентиля 122а и 122b и несколько пассивных элементов (№6,011,994). Генератор 120 генерирует два комплементарных выходных сигнала 124а и 124b, причем каждый содержит чередующиеся интервалы низкого и высокого напряжения с длительностью, зависящей от номиналов конденсатора 126 и резисторов 128а, 128b и 128с, и полярности диода 130. Такой генератор может работать либо в качестве времязадающего блока 92, либо времязадающего блока 94 по Фиг.6. Используя комплементарные выходы 124а и 124b в дифференциальном режиме, а не как два выхода относительно фиксированного потенциала, получаем полный размах выходного напряжения, составляющий практически удвоенное напряжение питания.

С диодом 130, включенным указанным образом, и пренебрегая неидеальностью компонентов схемы, имеем

Т₁=1,1×R₁C,

T₂=(1,1×C)/(1/R₁+1/R₂),

F=1/(T₁+T₂), и

D=T₁/(T₁+T₂)

где Т₁ является "высоким" выходным периодом формы сигнала 124а; Т₂ является "низким" выходным периодом; R₁ значение резистора 128а; R₂ значение резистора 128b; C₁ значение конденсатора 126; F - частота колебаний; D - коэффициент заполнения, при условии, что R₃ - значение резистора 128 с, больше по сравнению с R₁ и R₂. Для формы 124b сигнала Т₁ и Т₂ меняются местами.

Подходящие значения для указанных компонентов могут быть найдены, сначала определив практическое значение неполярного конденсатора примерно в пределах от 100 пФ до 1 мкФ; вычислив R1 и R2 из уравнений

R₁=T₁/(1,1×C), и

R₂=1/(1,1×C(1/T₁+1/T₂));

Принимая для R3 любое практически приемлемое значение, составляющее, по меньшей мере, два, предпочтительно десять значений R₂, оптимизируют R₁ и R₂ (путем небольшого экспериментирования) для компенсации неидеальности реальных компонентов. Оптимизированные значения R₁ и R₂ обычно находятся в пределах приблизительно ±20-30% от вычисленных, как описывалось выше. Ни в каком случае R₁ и R₂ не должны быть меньше, чем примерно 3300 Ом и больше, чем примерно 3,3 Мом, Также R₃ не должно превышать 22 Мом. В противном случае для С следует выбрать новое значение, для того чтобы вернуть R₁, R₂ и R₃ в указанные пределы.

Генератор 120, подобный описанному, может обеспечивать практически любой требуемый период колебаний, от нескольких секунд до 1 мксек или менее, и любой требуемый коэффициент заполнения в указанных колебаниях. Частота колебаний может меняться без значительного изменения коэффициента заполнения просто при помощи изменения значения емкости конденсатора 126. Эта отличительная черта позволяет выбирать из набора альтернативных парных значений Т₁ и Т₂ при сохранении коэффициента заполнения, например, используя переключатель для выбора одного из набора конденсаторов.

Два генератора 120 могут быть соединены таким образом, что один из них, генерирующий относительно низкую частоту, управляет вторым, который генерирует гораздо более высокую частоту, но только в течение выбранной фазы низкочастотных колебаний (либо Т₁, либо Т₂), тем самым генерируя форму сигнала, показанную на фиг.1. Пара взаимосвязанных генераторов 120а, 120b (фиг.8), может работать в качестве времязадающих блоков 92 и 94 (фиг.6) с соединением между двумя генераторами, одновременно выполняющим функцию соединительного блока 96. Преимуществом такого подхода является то, что, поскольку потребление мощности схемы КМОП (не учитывая внешнюю нагрузку) сильно зависит от рабочей частоты, выключение высокочастотного генератора, в периоды низкочастотного генератора, когда высокочастотные колебания не требуются, минимизирует потребление мощности.

Связанные КМОП генераторы также могут использоваться для генерации выравнивающих импульсов интервала Т₄. Более предпочтительно, два комплементарных выхода высокочастотного генератора буферизуют и преобразуют при помощи добавления смешанных аналоговых и цифровых каскадов, чтобы они формировали выходной уровень L₁ напряжения или тока в одном из наборов логических состояний и другой уровень L₂ напряжения или тока при противоположенном наборе, и уровень L₃ когда, в конце интервала Т₄, оба выхода переходят в одинаковые логические состояния.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения, устройство 90 формирует набор определенных форм сигнала, предназначенных для различных биомедицинских приложений, включающих в себя, но не ограничиваемых, заживление переломов, облегчение боли и лечение остеопороза. Например, конкретный вариант осуществления устройства 90 может генерировать шесть форм сигнала (фиг.9) при любой из набора выбираемых пользователем интенсивностей. Формы 150, 152 и 154 сигнала являются формами сигнала с пакетами импульсов, причем каждый имеет различный набор значений интервалов Т₁, Т₂, Т₅ и Т₆; тогда как Т₃, Т₄ и Т₇ являются для всех трех одинаковыми. Формы 156, 158 и 160 сигнала представляют собой эквиваленты с непрерывной последовательностью импульсов, форм 150, 152 и 154 сигнала, соответственно, отличаясь от них главным образом тем, что Т₄ и Т₇ в каждом случае установлены в ноль. Пример установки временных интервалов для форм сигнала по фиг.9 приведен в табл.1.

Таблица 1
Временные интервалы для форм 150, 152, 154, 156, 158 и 160 сигнала (фиг.9)
	Временной интервал*
Форма сигнала	Т1	Т2	Т3	Т4	Т5	Т6	Т7
150	200	30	10	3	50	-	54
156	200	30	-	0	50	-	0
152	600	70	10	3	150	-	54
158	600	70	-	0	150	-	0
154	1500	170	10	3	400	-	54
160	1500	170	-	0	400	-	0
*(Т1,Т2,Т5 и Т6 указаны в мксек; Т3, Т4 и Т7 указаны в мсек)

Точность значений времени для примера по табл.1 составляет примерно ±10% или 20 мксек, большее из указанных значений. Устройство 90 с указанными временными интервалами было разрешено U.S. Food and Drug Administration для использования для облегчения хронической боли. Для некоторых приложений также могут подходить другие временные интервалы.

В случае, если один КМОП генератор указанного типа управляет другим указанным способом, интервал Т₅ представляет собой начальную задержку высокочастотного генератора в начале пакета импульсов и обычно составляет одну четвертую от интервала Т₁, тогда как интервал Т₆ представляет собой просто часть интервала Т₁, помещающуюся в конце интервала Т₃. Поэтому не производится никаких действий по определению Т₆, за исключением указанных. Интервалы Т₃, Т₄ и Т₇ имеют одинаковые значения для всех трех форм сигнала с пакетами импульсов; для непрерывных форм сигнала интервал Т₃ неопределен, а Т₄ и Т₇ оба равны нулю.

Интервалы Т₁ и Т₂ выбирают таким образом, что для форм сигнала с пакетами импульсов каждый пакет может быть разделен либо примерно на 6-8 импульсов ("слабая модуляция"), как в форме 150 сигнала, либо на 15-32 импульсов ("средняя модуляция"), как в форме 152 сигнала, либо на 35-72 импульсов ("сильная модуляция"), как в форме 154 сигнала. В соответствующих формах сигнала с непрерывной последовательностью импульсов используются такие же интервалы Т₁ и Т₂.

Для компенсации вариаций поперечного сечения ткани, подвергаемой воздействию, или различия в оптимальных плотностях тока для различных тканей, для каждой формы сигнала могут быть предусмотрены установленные заранее интенсивности, как показано в табл.2.

Таблица 2
Номинальный выходной ток (полный выходной ток из блока 104 соединений в нагрузку 106, измеренный согласно ANSI/AAMI стандарту №NS-4-1985. Внутри нагрузки 106 ток распределен приблизительно равномерно по поперечному сечению нагрузки, с локальными отклонениями, зависящими от конкретного типа ткани).
	Выходной ток (мкА)
Установки	Пакетный режим	Непрерывный режим
СЛАБАЯ	60	180
СРЕДНЯЯ	200	600
СИЛЬНАЯ	600	1800

В общем случае, работа с пакетами импульсов рекомендуется для периодов воздействия примерно один час и более. Для многих состояний рекомендуются периоды воздействия до восьми часов в сутки и даже больше. Однако, если возможное время воздействия ограничено часом или менее, предпочтительней работа с непрерывной последовательностью импульсов. Слабая модуляция рекомендуется для терапии пациентов с тонкой или влажной кожей, средняя модуляция - для нормальной кожи, и сильная модуляция - для толстой или сухой кожи. Аналогично, низкая интенсивность рекомендуется для использования на пальцах, средняя интенсивность - на кистях и плечах, и высокая интенсивность - в других местах тела. Однако оптимальная комбинация установок лучше всего определяется индивидуально для каждого отдельного пациента, подвергаемого терапии. Для нахождения наиболее эффективной комбинации установок в каждом отдельном случае можно провести несколько проб. Как указывалось выше, формы 150-160 сигнала удовлетворяют всем требованиям по безопасности ANSI/AAMI NS-4-1985. В результате устройство 90 с установками, приведенными в табл.1 и 2, может безопасно использоваться везде, где используются обычные слаботочные электростимуляторы или устройства ЧЕНС.

Устройство 90 с выходными параметрами по табл.1 и 2 включает в себя узлы, соответствующие каждому из блоков 92-108 (фиг.6), примеры которых будут даны ниже. Хотя в нижеследующем описании иногда приводятся определенные предпочтительные компоненты с креплением в сквозных отверстиях, необходимо понимать, что также могут применяться различные компоненты (в том числе устройства для поверхностного монтажа) и компоненты, изготовленные по различным технологиям. Резисторы обычно с рассеиваемой мощностью 0,25 Вт, металлические или металло-оксидные пленочного типа с допуском ±1%, если не оговорено противное.

Источник питания 108 (фиг.10) содержит сменную батарею 172, трехпозиционный переключатель 174 "включено-выключено" выбора функций, управляющий диод 176 для выбора функций, пара блокирующих диодов 178а и 178b, предотвращающие повреждение в случае неверной установки батареи 174, и буферный электролитический конденсатор 180, обеспечивающий накопление заряда для работы схемы. Не предусмотрены адаптер, разъем или другое устройство для внешнего питания. В предпочтительном варианте осуществления изобретения батарейный отсек для батареи 172 разработан таким образом, что устройство 90 работает только при закрытом батарейном отсеке.

Батарея 172 может иметь номинальное выходное напряжение 9 вольт или близкое к нему. Выходные напряжения в указанных пределах могут быть обеспечены последовательным соединением трех 3-вольтовых дисковых литиевых элементов с емкостью приблизительно 270 миллиампер-час каждый, например, дисковые литиевые элементы типа 2032, заключенные в точно подогнанную по длине термоусадочную трубку с открытыми положительными и отрицательными контактами полученной батареи. Такая батарея питает устройство 90 с определенными компонентами, описанными ниже, в течение примерно двух недель непрерывного использования. Для обеспечения более длительных периодов работы могут использоваться более крупные дисковые элементы, либо набор таких элементов может быть соединен параллельно. Литиевые элементы являются предпочтительными, поскольку они имеют малые размеры, длительное время хранения, высокую удельную энергоемкость и относительно плоскую кривую разряда при низкой и относительно постоянной нагрузке. Могут использоваться другие типы батарей.

В варианте, показанном на фиг.10, позиция "А" переключателя-селектора 174 отключает управляющий генератор 190 через диод 176 и выходную линию 182, выбирая режим непрерывной последовательности импульсов, позиция "В" разрешает работу обоих генераторов, генерируя пакеты импульсов, тогда как положение "С" является состоянием "выключено". Положения "С", "В", "А" переключателя 176 таким образом соответствуют режимам работы "ВЫКЛЮЧЕНО" "ПАКЕТНЫЙ" "НЕПРЕРЫВНЫЙ", соответственно.

Диоды 178а и 178b предотвращают случайное повреждение при обратном подключении батареи при положениях переключателя "А" и "В", соответственно. Конденсатор 180 образует буфер питания для минимизации эффектов возрастания внутреннего сопротивления батареи 174 при окончании обычного срока службы батареи. Выходные линии 194 и 186 от конденсатора 180 соответственно имеют номиналы +9 вольт и земля, подавая питание к оставшимся блокам схемы, включая непоказанные соединения между указанными линиями и КМОП логическими устройствами в этих блоках.

Переключатель 174 может быть типа "включено-включено-включено"; однополюсный 3-позиционный (SP3T) миниатюрный ползунковый переключатель, такой как SS14SDP2 производства NKK. Диоды 176, 178а и 178b являются миниатюрными кремниевыми выпрямителями общего назначения, такие как BAV19 производства Diodes Incorporated, либо выпрямители похожего типа. Конденсатор 180 может быть любым обычным, алюминиевым или танталовым электролитическим конденсатором, с емкостью, по меньшей мере, примерно 100 мкФ с рабочим напряжением 10 вольт или более.

На фиг.11 показаны времязадающие блоки 92 и 94 в конфигурации, показанной на фиг.8. Первый времязадающий блок 92 содержит два КМОП логических вентиля 190 и 192, три резистора 194а, 194b и 194 с, конденсатор 196, и диод 198. Указанные элементы образуют автоколебательный асимметричный мультивибратор, как на фиг.6. Вентили 190 и 192 могут представлять собой два или четыре двухвходовых вентиля И-НЕ в корпусе CD4011B с четырьмя элементами, соединенные с линиями 184 и 186 в качестве плюса и минуса источника питания, и предпочтительно с одним входом у каждого вентиля в состоянии "высокое", так что они работают в качестве обычных инверторов при минимальных входных токах и токах питания. В качестве альтернативы, инвертор может быть образован путем соединения вместе обоих входов вентиля.

Для примера, резисторы 194а, 194b и 194 с могут иметь значения 732 кОм, 212 кОм и 2,2 Мом, соответственно, с допуском±1%. Конденсатор 196 может быть полипропиленовым или полиэфирным конденсатором пленочного типа с емкостью примерно 0,1 мкФ при допуске ±2%. С указанными компонентами получается управляющий сигнал с относительно низким коэффициентом заполнения (фиг.5D), и частотой 15 Гц. Могут применяться другие значения сопротивления и емкости, если требуются другие коэффициенты заполнения и частоты. Точные значения также могут отличаться в зависимости от таких факторов как тип устройства, производитель, номер партии, но могут быть оптимизированы описанным выше способом. Диод является миниатюрным кремниевым выпрямителем общего назначения, предпочтительно BAV19, либо похожего типа.

Аналогично, второй времязадающий блок 94 содержит два КМОП логических вентиля 200 и 202, три резистора 204а, 204b и 204с, три конденсатора 206а, 206b и 206с, причем выбирается только один из них, и диод 208. Указанные элементы образуют генератор уже описанного типа, за исключением того, что настоящий генератор имеет управляющий вход и генерирует комплементарные выходные сигналы, подобные показанным на фиг.7. Вентили 200 и 202 предпочтительно представляют собой два или четыре двухвходовых вентиля И-НЕ в корпусе CD4011B с четырьмя элементами, соединенные с линиями 184 и 186 в качестве плюса и минуса источника питания.

Вентиль 200 принимает в качестве одного входного сигнала выход вентиля 192, так что генератор 92 включен, когда линия находится в "высоком" состоянии и выключен, когда она находится в "низком " состоянии (это соединение соответствует блоку 96 межсоединений, фиг.6). Таким образом, если сигнал 192 имеет малый коэффициент заполнения, генератор 94 работает только малую долю общего времени, сохраняя энергию батареи. Вентиль 202 имеет один выход, приведенный в "высокое" состояние, тем же способом, что и вентили 190 и 192. Вентили 200 и 202 соответственно выдают комплементарные сигналы с пакетами импульсов на выходные линии 210а и 210b, способом, описанным выше.

Выбор конденсаторов 206а, 206b и 206с производится при помощи трехпозиционного переключателя 212, работающего как часть блока 100 настройки (фиг.6). Конденсатор 206а имеет наибольшую величину из всех трех, конденсатор 206с является наименьшим. Следовательно, указанные три конденсатора соответственно обеспечивают установки модуляции "слабая" "средняя" "сильная".

Для иллюстрации диод 208 показан на фиг.11 с полярностью, противоположенной полярности диода 198. Такая конструкция приводит к генерации комплементарных выходных сигналов (как показано на фиг.7) с малым коэффициентом заполнения на линии 210а и, соответственно, с высоким коэффициентом заполнения на линии 210b. Альтернативно, изменение ориентации диода 208 изменяет указанную взаимосвязь, оставляя выходы комплементарными.

Для примера, резисторы 204а, 204b и 204 с могут иметь значения 147 кОм, 15,4 кОм и 2,2 МОм, соответственно, с допуском ±1%. Конденсаторы 206а, 206b и 206с могут быть полипропиленовыми или полиэфирными конденсаторами пленочного типа с допуском ±2% с и емкостями 0,0068 мкФ, 0,0027 мкФ и 0,001 мкФ, соответственно. С указанными элементами получаются последовательности импульсов с высокими коэффициентами заполнения, и примерными частотами 600 Гц, 1600 Гц, и 4000 Гц, соответственно. Диод 208 является миниатюрным кремниевым выпрямителем общего назначения, предпочтительно BAV19, либо близким функциональным аналогом. Оптимальные значения всех элементов схемы, приведенных в настоящем описании в качестве примера, могут отличаться в зависимости от типа устройства, производителя, номера партии, и могут быть найдены экспериментально для каждого конкретного приложения.

Блок 98 коммутации напряжения, фильтр 102, связанная с ним часть блока 100 настройки, и блок 104 соединений показаны на фиг.12. Блок 98 коммутации напряжения содержит два нагрузочных резистора 220а и 220b, два входных защитных резистора 222а и 222b, два сигнальных разделительных конденсатора 224а и 224b, два шунтирующих диода 226а и 226b, и два КМОП инвертора 228 и 230. Для увеличения нагрузочной способности каждый из инверторов 228 и 230 может быть сформирован двумя стандартными КМОП логическими вентилями с близкими характеристиками переключения с соединенными параллельно входами и выходами, и общим питанием от линий 184 и 186 в качестве в качестве плюса и минуса источника питания, а не одним вентилем. Более предпочтительно, оба инвертора формируются из четырех 2-входовых вентилей И-НЕ в одном четырехэлементном корпусе CD4011D либо аналогичных устройств, применяемых в парах.

Нагрузочный резистор 220а и разделительный конденсатор 224А вместе образуют фильтр верхних частот, передающий быстроменяющиеся сигналы от линии 210а к входам инвертора 228 с минимальными искажениями, но подтягивающий эти входы к логическому "высокому" уровню при отсутствии быстроменяющихся сигналов. Резистор 222а и диод 226а предотвращают выбросы напряжения или тока, которые могут повредить входы инвертора. Резисторы 220b и 222b, конденсатор 224b и диод 226b совместно с линией 210b и инвертором 230 выполняют аналогичные функции. В результате выходы инверторов 228 и 230 повторяют комплементарные выходы вентилей 201 и 200 соответственно при работающем генераторе 94, но оба принимают "низкий" логический потенциал, если по указанным линия не производится передачи в пределах определенного времени задержки. После этого разность потенциалов между указанными выходами становится нулевой посередине между их положительными и отрицательными пиковыми значениями, что соответствует интервалу Т₇ (фиг.4).

Фильтр 102 содержит конденсаторы 240а-240d, резисторы 244а-244b, конденсатор 246. С выходом каждого инвертора 228 и 230 последовательно соединена пара электролитических конденсаторов 240а и 240b (или 240c и 240d) с их анодами соединенными вместе, образуя один эффективно неполярный конденсатор, который пропускает быстроменяющийся сигнал, но блокирует любую компоненту постоянного тока, образуя сбалансированный по заряду выход. Также можно использовать неполярные электролитические конденсаторы, предназначенные для аудио приложений. Однако такие конденсаторы могут иметь слишком большой ток утечки для применения в настоящем изобретении.

Последовательно с каждым таким конденсатором расположен резистор 244а или 244b, за которыми обе линии соединены конденсатором 246. Функции резисторов 244а и 244b и конденсатора 246 заключаются в отфильтровывании нежелательных высокочастотных компонентов сигналов, которые могут создавать помехи другим работающим устройствам. Частота сопряжения полученного фильтра составляет предпочтительно примерно 50 кГц. Разделение сопротивления поровну между резисторами 244а и 244b также усиливает безопасность, поскольку даже если один элемент выйдет из строя, ток, по-прежнему, будет ограничен до безопасного уровня.

После окончания данного пакета импульсов, конденсаторы 240а-240d разряжаются, как указано линией 38 на фиг.1 в течении интервала 36 с постоянной времени, частично определяемой значениями компонентов фильтра 102 и свойствами нагрузки 106, при достижении указанной кривой нуля, конденсаторы 240а-240d не несут заряда.

В конце задержки, генерируемой резисторами 220а и 222а, конденсатором 224а и диодом 226а или их "b"-двойниками, на выходах инверторов 228 и 230 появляются одинаковые напряжения, на обоих логический "ноль". Если это переключение совпадает с прохождением кривой разряда конденсатора через уровень L₂ напряжения, кривая разряда оказывается усеченной в этой точке. После этого, поскольку на конденсаторах нулевое напряжение и нулевой заряд, выходной ток остается нулевым до начала следующего пакета импульсов. Такое усечение показано, например, в конце интервала Т₄ на форме 70 сигнала (фиг.13).

Хотя для фактической реализации переключения после каждого пакета импульсов могут потребоваться дополнительные элементы, испытания описанного выше устройства 90 в условиях обычной нагрузки показали, что после 10-миллисекундного пакета импульсов переключение происходит примерно через три миллисекунды. Поскольку кривая в этой точке не является особенно крутой, небольшие изменения в величинах элементов фильтра 102 и нагрузки 106, или электрических характеристиках живой ткани, к которой подводится сигнал, по существу не влияют на выход. Следовательно, могут быть найдены величины резистора 220а и конденсатора 224а (и 220b и 224b), дающие практически оптимальную производительность по существу при всех предполагаемых условиях эксплуатации. Таким образом, получаемая в результате задержка принимается за Т₄ (74d, фиг.4), тогда как последующий, по существу с нулевым током, период "покоя" принимается за Т₇ (74g).

Резисторы 220а и 222а, конденсатор 224а и диод 226а (и их "b"-двойники) выполняют дополнительную функцию обеспечения безопасности, принудительно переключая выходы инверторов 228 и 230 в логический "ноль", и тем самым, устанавливая нулевой выходной ток, в случае неисправности генератора. Эта отличительная особенность предотвращает поражение тканей в результате электролиза, которое может в противном случае медленно развиваться, если генератор вышел из строя в устройстве, в котором конденсаторы 222а-222d имеют ток утечки, превышающий нормальный. Величины резисторов 220а и 220b, основываясь на этом критерии, составляют 681 кОм каждое, резисторов 222а и 222b - 150 кОм каждое, и конденсаторов 224а и 224b - 0,0068 мкФ каждый. Конденсаторы предпочтительно являются миниатюрными полипропиленовыми или полиэфирными с допуском ±2%. Конденсаторы 240а-240d предпочтительно являются миниатюрными алюминиевыми или танталовыми электролитическими с емкостью 10 мкФ с рабочим напряжением 15 вольт или выше, хотя каждая соединенная напрямую пара необязательно может быть заменена на один неполярный конденсатор такой же величины и рабочим напряжением. Предпочтительные практические величины резисторов 244а и 244b составляют 150 Ом каждое. Диоды 226а и 226b представляют собой миниатюрные кремниевые выпрямители общего назначения, предпочтительно BAV19s или их аналоги.

Фиг.13 иллюстрирует примерные формы 70 и 80 сигнала, образуемые описанной выше схемой при импульсной и непрерывной работе, соответственно. "Спад" напряжения (то есть приближение к промежуточному уровню L₄) появляется вследствие конечной емкости разделительных конденсаторов.

Для некоторых приложений, таких как стимуляция или заживление ран, может потребоваться наложение постоянного тока контролируемой величины на форму 70 сигнала, а не подавлять постоянную составляющую выходного сигнала, или предусмотреть такую возможность как опцию. Диод 250 служит простым выпрямительным устройством, посредством которого это может быть сделано, тогда как переключатель 252 обеспечивает гибкость при подключении диода к схеме или отключении от нее, обеспечивая функционирование либо сбалансированное по заряду, либо с постоянным смещением. Если подобная гибкость не требуется и используется только работа с постоянным смещением, схема по фиг.12 может быть модифицирована путем удаления всех элементов между входом 210а и соединением резистора 244а и конденсатора 246, соединения непосредственно с плюсовой шиной 184 источника питания и заменяя комбинацию конденсаторов 240 с и 240d перемычкой. Это делает уровни L₂ (76b), L₃(76c) и L₄(76d) по существу одинаковыми, в то же время устраняя спад напряжения, как в форме 82 сигнала (фиг.14).

Величина выходного тока, подаваемого на нагрузку, отчасти определяется переключателем 260, который работает как часть блока 100 настройки, выбирая один из трех различных резисторов 262а, 262b или 262с для подсоединения последовательно конденсаторам 240а и 240b и резистору 244а. Резистор 262а имеет наибольшую величину из трех, резистор 262 с наименьшую. Выбранный резистор работает совместно с резисторами 244а и 244b, причем последовательное соединение трех резисторов и внутреннее сопротивление инверторов 228 и 230 служит для ограничения выходного тока в клеточной культуре, ткани, организме, или его части 106. Следовательно, указанные три резистора соответственно обеспечивают установки "низкая" "средняя" "высокая" выходной интенсивности. Резисторы 262а, 262b и 262 с имеют величины примерно 24,1 кОм, 3,92 кОм, и 332 Ом, соответственно.

Выходной блок 104 содержит диоды 270 и 272, провода 274а и 274b, и проводящие блоки 276а и 276b, посредством которых устанавливается физический контакт с живой тканью (нагрузкой 106), подвергаемой воздействию. По меньшей мере, один из диодов 270 и 272 является светодиодом, другой является миниатюрным кремниевым выпрямителем. Светодиод (СД) может быть либо диодом 270, как показано, либо диодом 272. Однако для работы с постоянным смещением (т.е. однофазной), СД предпочтительно является тем диодом из 270, 272, который имеет ту же полярность что и диод 250 по отношению к выходной замкнутой цепи. Альтернативно, оба диода могут быть светодиодами (СД). При диодах, включенных антипараллельно, как показано (анод одного соединен с катодом другого), пара может пропускать высокочастотный сигнал и испускать свет пропорционально протекающему току. Это обеспечивает одновременную индикацию того, что батарея обеспечивает требуемое рабочее напряжение, что все блоки схемы, которые получают от нее питание, работают верно, и что провода 274а и 274b и проводящие блоки 276а и 276b верно подсоединены к нагрузке 106.

Провода 274а и 274b представляют собой многожильные, износоустойчивые провода, например, аналоги проводам 22 AWG, содержащие 30/37 жил, изолированные прочным, но гибким непроводящим материалом, таким как ПВХ. Их длина может выбираться. Провода 274а и 274b или их отрезки могут быть выполнены с возможностью отключения от устройства, например, при помощи подходящих штекеров и розеток. Каждый из указанных проводов может оканчиваться металлическим штырем с диаметром 2 мм (0,08''), миниатюрным зажимом "крокодил" или другим приспособлением, позволяющим легко выполнить подсоединение к блокам 276а и 276b.

Проводящие блоки 276а и 276b могут содержать электропроводные солевые растворы или гели, содержащиеся в подходящих приспособлениях, таких как одноразовые или многоразовые контактные площадки электродов, солевые мостики, или другие подходящие приспособления в зависимости от предполагаемого применения и типа нагрузки. Примером гелевого электрода является Uni-Patch "Multi-Day". Альтернативно, блок 276а и 276b могут быть целиком или частично из других материалов, таких как серебряный провод, или посеребренная ткань.

В качестве альтернативы выходной сигнал (фиг.14) может генерироваться более просто, но с большей эффективностью и с более точным ограничением по току, используя схему 290 (фиг.15). При этом сигналы 210а и 210b подаются через резисторы 300а и 300b на базы биполярных кремниевых транзисторов 302 и 304, соответственно. Каждый из транзисторов 302 и 304 вместе с ассоциированными пассивными элементами образует простой стабилизатор тока.

Проходя через прямосмещенный p-n-переход, ток создает перепад напряжения, который очень слабо зависит от величины протекающего тока. Для многих задач указанный перепад напряжения, иногда называемый "диодный перепад", может считаться приблизительно постоянным вне зависимости от тока. Величина перепада напряжения является характеристикой материала. В кремнии, например, он обычно близок к 0,65 вольта, тогда как в фосфиде галлия (используемом для изготовления зеленых светодиодов) он составляет около 2,1 вольта.

Если напряжение 210а является низким, ток, проходящий через резистор 300а и диоды 306а и 306b, устанавливает базу p-n-p транзистора 302 на два диодных перепада, или около 1,3 вольта, ниже потенциала плюса 184 источника питания. Переход база-эммитер транзистора 302 удаляет из этого один диодный перепад, тогда как второй диодный перепад оказывается приложенным между шиной 184 питания и эмиттером, в данном случае через резистор 308 плюс небольшое паразитное сопротивление (обычно около 10 Ом) в цепи база-эммитер. В результате ток коллектора составляет примерно 0,65 вольт, деленные на величину резистора 308 плюс 10 Ом, если только он не ограничивается другими компонентами в цепи тока. Транзистор 302 тем самым устанавливает максимальный предел на выходной ток.

Аналогично, при высоком напряжении 210b ток, проходящий через резистор 300b и диоды 306b и 306 с, устанавливает базу n-p-n транзистора 302 на два диодных перепада выше потенциала минуса 186 источника питания. Опять, переход база-эммитер удаляет один диодный перепад, тогда как другой оказывается приложенным между эмиттером и шиной 186 питания. В этом случае переключатель 310 позволяет выбрать любой из набора резисторов 312а, 312b,.... В качестве альтернативы может выбираться некоторая комбинация из одного или нескольких резисторов 312а, 312b,..., либо взамен может использоваться переменный резистор. В результате ток коллектора составляет примерно один диодный перепад, деленный на выбранное сопротивление плюс 10 Ом, если только он не ограничивается другими компонентами.

Благодаря совместной работе элементов (фиг.11), сигнальная линия 210а нормально находится в высоком состоянии (примерно потенциал шины 184 питания), но импульсы направлены вниз (примерно до потенциала шины 186 питания) в течение каждой последовательности, как показано упрощенной диаграммой 230а формы сигнала. Аналогично, линия 210b нормально находится в низком состоянии, но импульсы ориентированы вверх в каждой последовательности, как показано диаграммой 230b. В результате оба транзистора 302 и 304 имеют свои переходы база-эммитер, смещенными в прямом направлении в течение импульсов каждой последовательности, позволяя протекать току коллектора, но не в течение интервалов между импульсами или между последовательностями. Таким образом, ток присутствует на выходе только в течение импульсов каждой последовательности.

Как и прежде, выход осуществляется через провода 274а и 274b, электроды 276а и 276b, светодиод 270 и нагрузку 106 (которая может быть живой тканью), причем все они расположены последовательно между коллекторами транзисторов 302 и 304, так что ток, выходящий из коллектора транзистора 302, проходит через них перед тем, как войти в коллектор транзистора 304. Ток, проходящий через нагрузку 106, следовательно, будет примерно наименьшим из:

0,65 вольт, деленные на величину резистора 308 плюс 10 Ом (доминирует транзистор 302);

0,65 вольт, деленные на величину выбранного резистора 312а, 312b и т.д., плюс 10 Ом (доминирует транзистор 304);

напряжение между шинами 184 и 186, минус два перепада на диоде на основе кремния и один перепад на диоде на основе фосфида галлия в сумме около 3,4 вольта, результат затем делится на общее сопротивление резистора 308, выбранного резистора 312а, 312b и т.д., проводов 274а и 274b, электродов 276а и 276b, материала 106, плюс 20 Ом (доминирует нагрузка). В этом случае ток может быть произвольно малым, поскольку при напряжении питания 9 вольт напряжение, приложенное к нагрузке, составляет приблизительно 7-8 вольт.

Предпочтительно, самое меньшее значение резисторов 312а, 312b... равно или немного превышает величину резистора 308, а другие возрастают приблизительно по логарифмической зависимости. В результате транзистор 304 нормально доминирует, если нагрузка 106 не имеет низкой проводимости или имеется плохое соединение в проводах 274а и 274b, или электродах 276а и 276b, причем реальный ток выбирается переключателем 310. Для трех резисторов 312а, 312b и 312с, значение которых возрастают логарифмически, ток в нагрузке 106 уменьшается в пропорции, указываемой упрощенными диаграммами 322а, 322b и 322с, соответственно. Если транзистор 304 выходит из строя, транзистор 302 начинает доминировать и поддерживает ток, ограниченный безопасным уровнем, но более не соответствующей выбранному пользователем уровню. Альтернативно, переключатель 310 и резисторы 312а, 312b... могут быть подсоединены к транзистору 302 взамен резистора 308, либо переключатель 310 может быть двуполярного типа с резисторами 312а, 312b..., дублированными для обоих транзисторов.

Как описывалось выше, светодиод 270 является монитором выходного тока и сигналов благодаря его свечению, указывая, что все соединения надежны, батарея в порядке и ток подается на нагрузку 106. Однако поскольку ток протекает только в одном направлении между выходными терминалами (из коллектора транзистора 302 через провод 274а, материал 106, провод 274b, диод 270 и в коллектор транзистора 304), не требуется наличия антипараллельного диода, такого как диод 272 (фиг.12).

В качестве примера (фиг.15) транзистор 302 является маломощным p-n-p, транзистор 304 является маломощным n-p-n типа, диоды 306а-306d представляют собой кремниевые выпрямители, резисторы 300а и 300b по 10 кОм каждый, резисторы 308 и 312а по 130 Ом каждый, резистор 312b имеет сопротивление 412 Ом и резистор 312 с имеет сопротивление 1400 Ом. Все резисторы имеют допуск 1%.

Получаемый в результате максимальный ток на нагрузке 106 составляет примерно 4,2 мА при выборе резистора 312а, примерно 1,4 мА при выборе резистора 312b, и примерно 0,42 мА при выборе резистора 312с. Этот ток практически не зависит от электрических характеристик нагрузки 106, при условии, что нагрузка не является доминирующей, как объяснялось выше. При предпочтительных временных параметрах формы сигнала, составляющих 200 мксек "включено" 30 мксек "выключено", при повторении в течение 10 мсек 15 раз в секунду, как описано выше, получаемый в результате усредненный по времени постоянный ток, подаваемый на нагрузку 106, составляет приблизительно 600 мкА при выборе переключателем 310 резистора 312а, 200 мкА при выборе переключателем резистора 312b, или 60 мкА при выборе переключателем резистора 312 с.

Для некоторых приложений, таких как стимуляция регенерации нерва, можно использовать не только наложение компонента постоянного тока на сигнал переменного тока, но также обращение полярности указанного компонента постоянного тока через регулярные интервалы, обычно каждые 10-60 минут. Форма сигнала, включающая такие обращения, показана на фиг.16а и фиг 16b.

На фиг.16А показана форма 330 сигнала для короткого интервала, который содержит две последовательности импульсов 340а и 340b, описанные выше, обращение 342 полярности, и последующие две дополнительные последовательности импульсов 340с и 340d. Уровни 76а и 76b напряжения установлены примерно эквидистантно, но имеют противоположенные полярности, тогда как уровни 76с и 76d оба установлены около 0. Для ясности изменение полярности 342 показано происходящим в течение интервала между последовательностями импульсов, но оно также может происходить в любой другой точке формы сигнала или в различных таких точках в различные моменты времени. Необходимо отметить, что при изменении полярности уровень напряжения во время импульсов и уровень во время интервалов между ними меняется местами так, что усредненный по времени компонент постоянного тока также изменяет свою полярность, хотя остается примерно постоянным по амплитуде.

На фиг.16В показана форма 330 сигнала для более длинного периода, который включает в себя три изменения полярности 342а, 342b и 342с, иллюстрируя, как последовательно меняются местами уровень напряжения в течение импульсов и уровень в интервалах между ними. Для иллюстрации показано только пять последовательностей импульсов, в течение каждого периода между обращениями. Однако на практике количество последовательностей импульсов между обращениями обычно составляет несколько тысяч или десятков тысяч.

При терапии во время сна в состояниях, для которых найден оптимальным терапевтический период, составляющий менее 8 часов, может быть полезным выключить терапевтическое устройство по истечении выбранного периода времени. Фиг.17 иллюстрирует форму 332 сигнала, аналогичную форме на фиг.16В, но также включающую в себя автоматическое отключение 334, после которого выходное напряжение и ток уменьшаются до нуля и остаются равными нулю.

Фиг.18 иллюстрирует схему 348, выполненную с возможностью генерации форм сигнала подобных показанным на фиг.14, 16А, 16В, и 17. Как и на фиг.11, управляющий генератор 92, генерирует огибающую пакета импульсов, и генератор импульсов 94 затем генерирует сами пакеты.

Все элементы управляющего генератора 92 такие же, как описаны выше, за исключением того, что логический вентиль 192 снабжен второй входной линией управления 350 для выключения генератора, и тем самым и генератора импульсов, при автоматическом отключении для уменьшения энергопотребления и продления времени жизни батареи. Например, вентиль 192 может быть вентилем ИЛИ-НЕ, как показано, так что отрицательный сигнал на линии 350 позволяет нормальную работу, но положительный сигнал выключает ее. Альтернативно, вентиль 192 может быть вентилем И-НЕ, выключаемым при появлении отрицательного сигнала на линии 350. Также возможны другие способы управления.

Аналогично, все элементы генератора импульсов 94 такие же, как описан выше, за исключением того, что используется только один из двух возможных комплементарных выходов, например, по сигнальной линии 210b. Этот сигнал подается на один из входов вентиля 352 Исключающее ИЛИ (XOR), а не подается непосредственно на выходной фильтр. Такой вентиль имеет свойство, заключающееся в том, что при подаче на один из входов постоянного или меняющегося сигнала логического уровня, и постоянного низкого уровня на второй вход, на его выходе появляется точно воспроизведенный логический сигнал. Если, напротив, второй вход удерживается в высоком состоянии, сигнал, поступающий на первый вход, появляется на выходе инвертированным. Таким образом, изменение полярности сигнала, показанное на Фиг.16А, 16В, и 17, может быть выполнено простым изменением сигнала 354, подаваемого на первый вход с логической единицы на логический ноль, или наоборот.

Первый выходной сигнал 356а с вентиля 352 затем проходит через инвертор 358, образуя второй выходной сигнал 356b, комплементарный первому сигналу 356а, тем самым выполняя его смену полярности в то же самое время, но в противоположенном направлении.

Первый и второй сигналы 356а и 356b затем проходят на элементы, устанавливающие выходной сигнал в ноль после автоматического отключения. Для работы с постоянным смещением, они могут представлять собой просто пару логических вентилей 360а и 360b того же типа, что и вентиль 192, и управляемых тем же управляющим сигналом 350. Такие вентили выдают выходные сигналы 362а и 362b, которые являются комплементарными при одном из состояний сигнала 350, но являются одинаковыми при другом, давая нулевой выходной сигнал. Например, при использовании логических вентилей ИЛИ-НЕ, как показано, выходные сигналы 362а и 362b являются комплементарными, пока сигнал 350 остается логическим нулем, но оба переключаются в ноль, давая нулевой выходной сигнал, когда сигнал 350 меняется на логическую единицу.

Сигналы 362а и 362b затем могут быть подсоединены к дополнительным фильтрующим и выходным элементами, например, в виде, показанном на фиг.12.

Для работы с соблюдением баланса по заряду с автоматическим отключением вентили 362, 358, 360а и 360b могут быть исключены, линия 350 управления и вентиль 192 остаются в виде, показанном на фиг.18, и сигналы 210а и 210b берутся из генератора импульсов, как показано на фиг.11 и фильтруются, как показано на фиг.12. Простое отключение управляющего генератора сигналом 350, вызывающим, в свою очередь, отключение генератора импульсов при помощи компонентов, показанных на фиг.12, является достаточным для переключения выходного сигнала в ноль и удержания его в таком состоянии без каких-либо других модификаций схемы.

Сигнал 350 отключения, сигнал 354 смены полярности или оба сигнала могут быть получены из выходного сигнала 370 управляющего генератора при помощи обычного цифрового делителя 372, такого как многокаскадный последовательный двоичный делитель.

Например, деление предпочтительной частоты управляющего генератора 15 Гц на 2¹⁴ для получения сигнала 354, дает в результате смену полярности с интервалом около 9,1 минут, тогда как деление на 2¹⁵ дает смену полярности с интервалом 18,2 минут. Каждый из указанных вариантов вполне достаточен для многих приложений, не требуя более сложной схемы делителя. В качестве альтернативы, в настоящем изобретении может применяться любая подходящая схема делителя.

Аналогично, деление предпочтительной частоты управляющего генератора на 2¹⁷ дает активный сигнал отключения 350 примерно по истечении 1 часа и 13 минут, на 2¹⁸ по истечении 2 часов и 26 минут, на 2¹⁹ по истечении 4 часов и 51 минуты и на 2²⁰ по истечении 9 часов и 43 минут. Указанные интервалы вполне достаточны для многих приложений, хотя при необходимости могут использоваться другая схема делителя, в том числе схема, обеспечивающая различные интервалы. Преимущество получения времени отключения от управляющего генератора заключается в том, что после произошедшего отключения управляющий генератор отключается, и счет больше не производится. Таким образом, при отключении устройство остается в этом состоянии и не требует внимания до момента его перезапуска вручную. Это может быть сделано либо при помощи выключения стимулятора и последующего включения, либо, если необходимо, при нажатии кнопки "сброс", посылающей соответствующий сигнал 374 на вход сброса последовательного делителя 372.

Альтернативно, для получения сигнала 350 отключения сигнала 354 смены полярности, или и того и другого, может применяться отельный генератор того же типа, или другого типа, например, кварцевый генератор типа, используемого в цифровых часах.

Устройство 90, содержащее элементы с величинами, указанными выше, и включающее в себя все либо любой набор описанных выше функций, может быть смонтировано в небольшом, легком корпусе из формованного пластика или другого подходящего материала, предпочтительно в корпусе с карманным зажимом либо другим приспособлением для удобного размещения на поясе, шине, запястье, либо другом креплении или элементе одежде. Наиболее предпочтительно, корпус не превышает размеров, требуемых для размещения описанных устройств и печатной платы или плат, на которых они расположены. Подходящий корпус не должен превышать примерно 5 см × 6 см × 2 см (примерно 2,0''×2,5''×0,75") или около того. Меньшие корпуса могут использоваться, если некоторые или все функции устройства 90 реализуются с применением компонентов для поверхностного монтажа, а не компоненты с креплением в сквозных отверстиях, которые в некоторых случаях указывались в приведенных выше описаниях.

Устройство 90 является легким, компактным, автономным, рентабельным при производстве и обслуживании, и удобным для переноски или ношения в течении длительного времени. Оно является безопасным для безнадзорного домашнего использования, не требующим специального обучения, и выполнено с возможностью генерации описанных сигналов и эффективно направлять их на нагрузку через контактные площадки, находящимися в непосредственном контакте с кожей. Поскольку применяются только низкие напряжения и токи, устройство 90 не представляет опасности поражения током даже в случае выхода из строя. Питание осуществляется от компактных и недорогих батарей, требующих замены только раз в несколько недель использования.

Устройство согласно настоящему изобретению применяется для обеспечения электротерапевтического воздействия на пациентов - людей и животных, включающего в себя, но не ограниченного, ускорение заживления, облегчение острой и хронической боли, и ослабление отека и/или воспаления. Однако устройство не ограничено использованием с интактными организмами, поскольку изолированные клетки и культуры тканей также могут быть подвержены воздействию электротерапевтических сигналов (наблюдалось изменение скоростей клеточного метаболизма, секреции и репликации под действием подходящих электрических стимулов). Например, изолированные клетки кожи могут подвергаться воздействию выбранных сигналов в подходящей среде для увеличения пролиферации и дифференциации клеток, при приготовлении культивированного, автогенного материала для пересадки кожи. В качестве другого примера, при воздействии подходящего сигнала может быть ускорен рост генетически модифицированных бактерий при производстве требуемого продукта, такого как человеческий инсулин, либо увеличена их секреция требуемого продукта.

Приведенное выше описание рассматривается только как иллюстрация принципов настоящего изобретения. Помимо этого, поскольку существуют многочисленные модификации и изменения, очевидные для специалистов в данной области техники, настоящее изобретение не следует ограничивать показанными и описанными точными конструкцией и способом работы, и, соответственно, все подходящие модификации и эквиваленты находятся в пределах объема настоящего изобретения.

Claims (67)

1. Устройство для биоэлектрической стимуляции, содержащее средство генерации набора по меньшей мере четырех временных интервалов T₁-T₄, которые удовлетворяют следующим соотношениям:

(2×T₂)≤T₁≤(20×Т₂);

50 мкс ≤ (T₁+Т₂)≤5000 мкс;

T₃≥(10×T₁);

Т₄≤500 мс,

средство комбинирования, выполненное с возможностью комбинирования и преобразования указанных временных интервалов T₁-T₄ в электрический сигнал напряжения или тока определенной амплитуды, и средство для передачи сформированного электрического сигнала к нагрузке.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит средство, соединенное со средством генерации интервалов для изменения по меньшей мере одного из указанных интервалов с T₁ по Т₄.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство генерации интервалов выполнено с возможностью формирования множества парных значений из указанных интервалов T₁ и T₂, а устройство дополнительно содержит средство для выбора одного из указанных парных значений.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный набор по меньшей мере четырех временных интервалов дополнительно содержит по меньшей мере три дополнительных временных интервала Т₅-Т₇, которые удовлетворяют следующим соотношениям:

0≤Т₅≤T₁;

0≤Т₆≤T₁;

0≤Т₇≤500 мс, и

5 мс ≤ (Т₃+Т₄+Т₇)≤500 мс.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что интервал Т₃ дополнительно включает в себя последовательность, содержащую интервал Т₅, за которым следует по меньшей мере одна пара интервалов (T₁, Т₂), за которой следует интервал Т₆.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что интервалы Т₃, Т₄ и Т₇ образуют непрерывную последовательность повторяющихся интервалов Т₃, Т₄ , Т₇.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что дополнительно содержит средство, соединенное со средством генерации набора для изменения по меньшей мере одного из указанных интервалов T₁-T₇.

8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что средство генерации образует множество парных значений из указанных интервалов Т₄ и Т₇, а устройство дополнительно содержит средство для выбора одного из указанных парных значений.

9. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в указанном наборе временных интервалов амплитуда указанного электрического сигнала дополнительно принимает значение

первого уровня L₁ в течение интервалов T₁ и Т₅ и Т₆,

второго уровня L₂ в течение интервалов Т₂ и Т₄ и

третьего уровня L₃ в течение интервала Т₇, причем L₃ находится между L₁ и L₂.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что переход между любыми двумя из указанных уровней с L₁ по L₃ имеет постоянную времени спада, не превышающую 1/2 длительности интервала Т₂.

11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что амплитуда электрического сигнала дополнительно имеет четвертый уровень L₄, который является промежуточным между уровнями L₁ и L₂, и переход между любыми из уровней с L₁ по L₃ и уровнем L₄ имеет постоянную времени спада, не меньшую, чем примерно десятикратная длительность интервала T₁.

12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что дополнительно содержит средство, соединенное с указанным средством комбинирования для изменения по меньшей мере одного из указанных уровней с L₁ по L₃.

13. Устройство по п.10, отличающееся тем, что дополнительно содержит средство настройки, соединенное с указанным средством комбинирования, для выбора из множества значений для уровней L₁-L₃ оптимального значения плотности тока.

14. Устройство для биоэлектрической стимуляции, содержащее

первый времязадающий блок для формирования первого временного интервала T₁ и второго временного интервала Т₂,

второй времязадающий блок для формирования третьего временного интервала Т₃ и четвертого временного интервала Т₄, причем указанные временные интервалы T₁-T₄ удовлетворяют следующим соотношениям:

(2×Т₂)≤T₁≤(20×Т₂);

50 мкс ≤ (T₁+T₂)≤5000 мкс;

Т₃≥(10×Т₁) и

0≤Т₄≤500 мс, и

средство комбинирования, подключенное между первым и вторым времязадающими блоками, выполненное с возможностью комбинирования и преобразования указанных временных интервалов T₁-T₄ в электрический сигнал напряжения или тока определенной амплитуды, и средство для передачи сформированного электрического сигнала к нагрузке.

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что дополнительно содержит средство, соединенное с указанным средством генерации интервалов и предназначенное для изменения по меньшей мере одного из указанных интервалов с T₁ по T₄.

16. Устройство по п.14, отличающееся тем, что дополнительно содержит источник питания, соединенный с первым и вторым времязадающими блоками, соединительным блоком и средством генерации выходного сигнала.

17. Устройство по п.14, отличающееся тем, что дополнительно содержит средство, соединенное с указанным средством генерации выходного сигнала для изменения амплитуды.

18. Устройство по п.14, отличающееся тем, что первый и второй времязадающие блоки дополнительно содержат первый и второй автоколебательные мультивибраторы соответственно.

19. Устройство по п.14, отличающееся тем, что указанное средство комбинирования предназначено для управления указанным вторым автоколебательным мультивибратором через выход указанного первого автоколебательного мультивибратора.

20. Устройство по п.14, отличающееся тем, что набор по меньшей мере четырех временных интервалов дополнительно содержит по меньшей мере три дополнительных временных интервала Т₅-Т₇, причем указанный первый времязадающий блок дополнительно содержит средство для генерации интервалов Т₅ и Т₆,

указанный второй времязадающий блок дополнительно содержит средство для генерации интервала Т₇,

при этом три дополнительных временных интервала удовлетворяют следующим соотношениям:

0≤Т₅≤T₁;

0≤Т₆≤T₁;

0≤Т₇≤500 мс, и

5 мс ≤ (Т₃+Т₄+Т₇)≤500 мс.

21. Устройство по п.20, отличающееся тем, что интервал Т₃ дополнительно включает в себя последовательность, содержащую интервал Т₅, за которым следует по меньшей мере одна пара интервалов (T₁, T₂), за которой следует интервал Т₆.

22. Устройство по п.16, отличающееся тем, что соединительный блок выполнен с возможностью деления интервала Т₃ на последовательность более коротких интервалов, которая содержит по меньшей мере один интервал Т₅, за которым следует по меньшей мере одна пара интервалов (T₁, Т₂), за которой следует по меньшей мере один интервал Т₆.

23. Устройство по п.20, отличающееся тем, что дополнительно содержит средство, соединенное с указанным средством генерации интервала Т₇ и предназначенное для изменения по меньшей мере одного из интервалов T₁-T₇.

24. Устройство по п.20, отличающееся тем, что средство генерации интервала Т₇ выполнено с возможностью формирования набора парных значений указанных интервалов Т₄ и Т₇, а устройство дополнительно содержит средство для выбора одного из указанных парных значений.

25. Устройство по п.20, отличающееся тем, что амплитуда выходного сигнала дополнительно принимает значения

первого уровня L₁ в течение указанных интервалов T₁ и Т₅ и Т₆,

второго уровня L₂ в течение указанных интервалов Т₂ и Т₄,

третьего уровня L₃ в течение указанного интервала Т₇, причем L₃ находится между L₁ и L₂,

а устройство содержит средство, соединенное с указанным блоком комбинирования, для изменения, по меньшей мере, одного из указанных уровней с L₁ по L₃.

26. Устройство по п.25, отличающееся тем, что переход между любыми двумя из уровней L₁-L₃ имеет постоянную времени спада, не превышающую примерно 1/6 длительности интервала Т₂.

27. Устройство по п.25, отличающееся тем, что амплитуда выходного сигнала дополнительно имеет четвертый уровень L₄, который является промежуточным между уровнями L₁ и L₂, и переход между любыми из уровней с L₁ по L₃ и L₄ имеет постоянную времени спада, не меньшую, чем примерно десятикратная длительность интервала T₁,

при этом устройство содержит средство, соединенное с указанным блоком комбинирования для изменения уровня L₄.

28. Устройство по п.25, отличающееся тем, что дополнительно содержит средство настройки, соединенное с указанным электронным средством и предназначенное для изменения по меньшей мере одного из указанных уровней с L₁ по L₃.

29. Способ генерации электрического сигнала для использования в биомедицине при электростимуляции, заключающийся в том, что

формируют по меньшей мере четыре временных интервала T₁-T₄, удовлетворяющих следующим соотношениям:

(2×Т₂)≤T₁≤(20×Т₂),

50 мкс ≤ (T₁+T₂)≤5000 мкс;

Т₃≥(10×Т₁) и

0≤Т₄≤500 мс,

комбинируют и преобразуют указанные временные интервалы в электрический сигнал напряжения или тока определенной амплитуды,

передают сформированный электрический сигнал для электростимуляции.

30. Способ по п.29, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют выбор одного из множества заранее определенных парных значений интервалов T₁ и Т₂.

31. Способ по п.29, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют формирование по меньшей мере трех дополнительных интервалов Т₅, Т₆, T₇, удовлетворяющих следующим соотношениям:

0≤Т₅≤T₁;

0≤Т₆≤T₁;

0≤Т₇≤500 мс, и

5 мс ≤ (Т₃+Т₄+Т₇)≤500 мс,

комбинируют дополнительные интервалы с интервалами T₁-T₄ для формирования электрического сигнала.

32. Способ по п.31, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют выбор одного из множества заранее определенных парных значений интервалов Т₄ и Т₇.

33. Способ по п.32, отличающийся тем, что осуществляют

настройку амплитуды сигнала на первый уровень L₁ в течение интервалов T₁, Т₆ и Т₇,

настройку амплитуды на второй уровень L₂ в течение интервалов Т₂ и Т₄,

настройку амплитуды на третий уровень L₃ в течение интервала Т₇, причем L₃ находится между L₁ и L₂.

34. Способ по п.33, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют выбор из множества заранее определенных значений для указанных уровней с L₁ по L₃.

35. Способ воздействия на ткань путем приложения электрического сигнала, заключающийся в том, что

размещают по меньшей мере одно электропроводное тело в контакте с кожей человека или животного и прикладывают к электропроводному телу сигнал напряжения или тока,

при этом сигнал содержит первый интервал, в течение которого сигнал поддерживается существенно при нулевой полярности, причем в первый интервал включен второй интервал, а сигнал содержит пакет импульсов чередующихся противоположных полярностей, причем сигнал каждой полярности имеет заданную длительность, при этом первый интервал длиннее второго интервала.

36. Способ по п.35, отличающийся тем, что длительность импульса первой полярности из указанных импульсов противоположных полярностей по меньшей мере в два раза, но не более чем в двадцать раз больше длительности импульса противоположной полярности.

37. Способ по п.35, отличающийся тем, что сигналы противоположных полярностей равны по величине.

38. Способ по п.35, отличающийся тем, что сигналы противоположных полярностей не равны по величине.

39. Способ по п.35, отличающийся тем, что контакт с кожей осуществляют через гель.

40. Способ по п.35, отличающийся тем, что сигнал предназначен для электротерапевтического лечения человека или животного.

41. Способ по п.40, отличающийся тем, что электротерапевтическое лечение выбрано из группы, состоящей из стимулирования смыкания трещин, стимулирования заживления ран, смягчения острой боли, смягчения хронической боли, лечения остеопорозов, стимулирования ускорения заживления, смягчения опухоли, смягчения воспаления, лечения тендинита, лечения повторяющихся стрессов, лечения запястного сухожильного синдрома, лечения остеоартритов, модифицирования скорости клеточного метаболизма, модифицирования клеточной среции, модифицирования клеточного размножения, модифицирования клеточной пролиферации, модифицирования клеточного разделения.

42. Способ по п.35, отличающийся тем, что

сигнал прикладывают к человеку или животному посредством по меньшей мере двух электропроводных тел, находящихся в контакте с кожей человека или животного.

43. Способ по п.35, отличающийся тем, что дополнительно

удаляют или минимизируют нежелательные компоненты сигнала, для чего используют средство, выбранное из группы, состоящей из разделительного конденсатора постоянного тока, выравнивающего импульса, предназначенного для удаления или минимизирования постоянного компонента, средства фильтрации, предназначенного для удаления или минимизирования нежелательных частот переменной составляющей.

44. Способ по п.35, отличающийся тем, что электропроводное тело выбрано из группы, состоящей из электрода и геля.

45. Способ воздействия на ткань путем приложения электрического сигнала, заключающийся в том, что

прикладывают сигнал к человеку или животному,

при этом сигнал содержит первый интервал, причем в первый интервал не включен второй интервал, а сигнал содержит также пакет импульсов,

первый интервал длиннее второго интервала,

сигнал содержит усредняющий импульс в конце цикла для удаления компонента постоянного тока.

46. Способ по п.45, отличающийся тем, что

пакет импульсов содержит импульсы, чередующиеся между двумя полярностями.

47. Способ по п.46, отличающийся тем, что полярности являются противоположными полярностями.

48. Способ по п.47, отличающийся тем, что импульсы противоположных полярностей имеют одинаковую величину.

49. Способ по п.47, отличающийся тем, что импульсы противоположных полярностей имеют различную величину.

50. Способ по п.46, отличающийся тем, что импульсы одной полярности имеют нулевую амплитуду.

51. Способ по п.45, отличающийся тем, что сигнал прикладывают к коже человека или животного.

52. Способ по п.46, отличающийся тем, что длительность импульсов первой полярности по меньшей мере в два раза, но не более чем в двадцать раз больше длительности импульсов противоположной полярности.

53. Способ по п.45, отличающийся тем, что контакт с кожей осуществляют через гель.

54. Способ по п.45, отличающийся тем, что электротерапевтическое лечение выбрано из группы, состоящей из стимулирования смыкания трещин, стимулирования заживления ран, смягчения острой боли, смягчения хронической боли, лечения остеопорозов, стимулирования ускорения заживления, смягчения опухоли, смягчения воспаления, лечения тендинита, лечения повторяющихся стрессов, лечения запястного сухожильного синдрома, лечения остеоартритов, модифицирования скорости клеточного метаболизма, модифицирования клеточной среции, модифицирования клеточного размножения, модифицирования клеточной пролиферации, модифицирования клеточного разделения.

55. Способ воздействия на ткань путем приложения электрического сигнала, заключающийся в том, что

размещают по меньшей мере одно электропроводное тело в контакте со средой, содержащей изолированные клетки или культивируемую ткань, и прикладывают сигнал напряжения или тока к электропроводному телу для электростимуляции изолированных клеток или культивируемой ткани,

при этом сигнал содержит первый интервал, в течение которого сигнал поддерживается существенно при нулевой полярности, причем в первый интервал включен второй интервал, а сигнал содержит также пакет импульсов чередующихся полярностей, причем сигнал каждой полярности имеет заданную длительность, обеспечивающую сигнал существенно плоской формы, при этом первый интервал длиннее второго интервала.

56. Способ по п.55, отличающийся тем, что длительность импульса первой полярности из указанных импульсов противоположных полярностей по меньшей мере в два раза, но не более чем в двадцать раз больше длительности импульса противоположной полярности.

57. Способ по п.56, отличающийся тем, что сигналы противоположных полярностей равны по величине.

58. Способ по п.56, отличающийся тем, что сигналы противоположных полярностей не равны по величине.

59. Способ по п.55, отличающийся тем, что в результате электростимуляции получают эффект, выбранный из группы, состоящей из модификации скорости метаболизма (обмена веществ) клетки, модификации среции клетки, модификации дублирования клеток, модификации пролиферации (разрастания) клеток и модификации дифференцирования клеток.

60. Способ по п.55, отличающийся тем, что дополнительно

удаляют или минимизируют нежелательные компоненты сигнала, для чего используют средство, выбранное из группы, состоящей из разделительного конденсатора постоянного тока, выравнивающего импульса, предназначенного для удаления или минимизирования постоянного компонента, средства фильтрации, предназначенного для удаления или минимизирования нежелательных частот переменной составляющей.

61. Способ по п.55, отличающийся тем, что

указанный сигнал прикладывают к изолированным клеткам или культивируемой ткани посредством по меньшей мере двух электропроводных тел.

62. Способ по п.55, отличающийся тем, что электропроводное тело выбрано из группы, состоящей из электрода и геля.

63. Переносное устройство для биоэлектрической стимуляции, содержащее

устройство для биоэлектрической стимуляции по п.1,

средство для размещения по меньшей мере одного электропроводного тела в контакте с кожей человека или животного и приложения сигнала напряжения или тока к электропроводному телу,

при этом сигнал содержит первый интервал, в течение которого сигнал поддерживается существенно при нулевой полярности, причем в первый интервал включен второй интервал, а сигнал содержит пакет импульсов чередующихся противоположных полярностей, причем сигнал каждой полярности имеет заданную длительность, обеспечивающую сигнал существенно плоской формы, при этом первый интервал длиннее второго интервала,

по меньшей мере два электропроводных тела (электропроводных средства), находящихся в контакте с кожей человека или животного, предназначенных для приложения сигнала к человеку или животному.

64. Устройство по п.63, отличающееся тем, что длительность импульса первой полярности из указанных импульсов противоположных полярностей по меньшей мере в два раза, но не более чем в двадцать раз больше длительности импульса противоположной полярности.

65. Устройство по п.63, отличающееся тем, что указанный сигнал предназначен для электротерапевтического лечения человека или животного.

66. Устройство по п.63, отличающееся тем, что электротерапевтическое лечение выбрано из группы, состоящей из стимулирования смыкания трещин, стимулирования заживления ран, смягчения острой боли, смягчения хронической боли, лечения остеопорозов, стимулирования ускорения заживления, смягчения опухоли, смягчения воспаления, лечения тендинита, лечения повторяющихся стрессов, лечения запястного сухожильного синдрома, лечения остеоартритов, модифицирования скорости клеточного метаболизма, модифицирования клеточной среции, модифицирования клеточного размножения, модифицирования клеточной пролиферации, модифицирования клеточного разделения.

67. Устройство по п.63, отличающееся тем, что дополнительно содержит средство, предназначенное для удаления или минимизации нежелательных компонентов сигнала и выбранное из группы, состоящей из разделительного конденсатора постоянного тока, выравнивающего импульса, предназначенного для удаления или минимизирования постоянного компонента, средства фильтрации, предназначенного для удаления или минимизирования нежелательных частот переменной составляющей.

Images