Противоболевая электронейростимуляция

Содержание

 

Введение

Современная медицина тесно  связана с созданием новых  аппаратных и технических средств для диагностики и лечения заболеваний. Одним из важнейших направлений является разработка аппаратуры для эффективного лечения болевых синдромов в различных областях медицины.

Очень часто боль является патогенным фактором, который может усугубить  течение заболевания, становясь препятствием на пути к выздоровлению. Она представляет собой сложную реакцию организма. Особенно неблагоприятное действие на состояние пациента способны вызывать послеоперационный болевой синдром, острые боли травматического происхождения,  а так же боль при родах.

Медикаментозные способы обезболивания  имеют ряд серьезных недостатков. Наиболее важными из которых являются недостаточная анальгетическая эффективность, угнетение деятельности жизненно важных органов и систем. Поэтому заметно возрос интерес к использованию способов обезболивания, связанных с воздействием слабых электрических токов на центральную и периферическую нервную систему человека.

Достоинством методов обезболивания, связанных с воздействием электрического тока на организм человека, является то, что в них в качестве действующего лечебного фактора используется электрический ток, который является адекватным раздражителем биологических тканей, что дает высокую потенциальную эффективность электроанальгезии, отсутствие побочных явлений и противопоказаний при применении в клинической практике. Можно выделить несколько направлений в развитии методов электрообезболивания: общая электороанастезия, электропунктура, периферическая электроанальгезия. [1]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Противоболевая электронейростимуляция

 

Рассмотрим подробно периферическую электроанальгезию. Шилли одним  из первых использовал электростимуляцию  спинномозговых структур для подавления болей, не поддающихся другим методам лечения. Он же обратил внимание на то, что чрескожная стимуляция периферических нервов (ЧЭНС) дает хороших результат. Исследования показали, что она приводит к уменьшению скорости проведения и снижения интенсивности пульсации в тонких волокнах нервов, ответственных за проведение болевых импульсов. В результате этого болевые посылки не достигают областей мозга, воспринимающих боль.

ЧЭНС применяется для лечения  хронических болевых синдромов  нейрогенного происхождения в ортопедии, травматологии и других областях медицины. ЧЭНС привлекает внимание врачей прежде всего своей простотой, доступностью, безопасностью, широким спектром возможного применения.

При ЧЭНС электроды в виде двух проводящих эластичных пластин накладывают на кожу пациента в проекции соматических нервных стволов, иннервирующую зону боли. После включения стимулирующего тока под электродами возникают ощущения покалывания, вызванные местным действием тока. Длительность сеансов ЧЭНС определяется достижением необходимого эффекта обезболивания. Выбор области расположения электродов на теле пациента ведется по определенным медицинским показаниям.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1 Выбор параметров стимулирующего тока

 

Для выбора параметров тока стимуляции нет единого правила. Наиболее часто при ЧЭНС  регулируются длительность импульсов и частота их следования. Диапазоны регулировки у различных стимуляторов лежат в области десятков-сотен, редко – тысяч микросекунд и десятков-сотен герц. Амплитуда тока не превышает десятков миллиампер и зависит от площади электродов.

Между тем, усиление эффективности  ЧЭНС требует увеличения плотности  тока, которая ограничивается накожными  раздражающими эффектами – ожогами, болевыми ощущениями под электродами. Поэтому достижение обезболивания при ограниченных амплитудах тока возможно путем увеличения порога болевого раздражения, которое зависит от формы стимулирующего тока. Исследования возбудимости нервных волокон показали, что различие между порогами болевого и сенсорного раздражения возрастает при укорочении длительности импульса и увеличении крутизны его фронта. Таким образом, для противоболевой стимуляции следует выбирать стимулы с коротким фронтом, длительность которого не превышает единиц процентов от длительности стимула. Однако уменьшение длительности ограничивается величиной времени релаксации тока в тканях, окружающих возбудимую структуру. Уменьшение чрескожных эффектов может быть также достигнуто за счет увеличения частоты следования стимулов. Но необходимо учитывать, что при низких частотах возрастают болезненные ощущения под электродами, а при слишком высоких – резко падает эффективность стимуляции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Требования к электродам для ЧЭНС

 

Электроды должны обеспечивать надежность и удобство их фиксации на коже пациента в течение всего периода лечения. Материал электродов должен быть биологически нейтральным, обладать устойчивостью к одному из распространенных методов стерилизации. Выбор материала и конструкции электрода зависит от функционального назначения стимулятора. Для индивидуальных аппаратов используются электроды прямоугольной формы из эластичных токопроводящих материалов, электроды большой длины  необходимо выполнять из металла в виде гибких лент тонкой фольги или сетки.

Электроды для послеоперационного обезболивания закрепляются на теле пациента на весь период лечения, поэтому к ним предъявляются дополнительные требования по эластичности, хорошему контакту с кожей, отсутствию раздражения кожи.

Для электродов многоразового использования  разработан специальный материал, обладающий малым удельным сопротивлением, высокой пористостью, эластичностью и малой плотностью. Он представляет собой спрессованный брикет из цилиндрических непрерывных спиралей биологически нейтральных проволок диаметром 0,05..0,15 мм. Такие электроды достаточно легкие и закрепляются на коже с помощью лейкопластыря. [2]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3 Требования к конструкции стимулятора

 

По своему конструктивному выполнению аппаратура для периферической анальгезии должна соответствовать техническим  требованиям, предъявляемым к электромедицинской аппаратуре. При разработке стимулятора необходимо применять радиокомпоненты, обеспечивающие высокую надежность, малые габариты, вес и экономичность устройства. Части конструкции стимулятора должны быть изготовлены из коррозийно-стойких материалов или защищены от коррозии специальными покрытиями. Стимулятор должен быть устойчив к дезинфекции одним из применяемых в лечебных учреждениях способов. Конструкция его должна быть технологична при производстве, обеспечивать удобство в работе и ремонтопригодность, а также обеспечивать полную электробезопасность персонала и пациентов.[3]

 

2 Разработка противоболевого электронейростимулятора

2.1  Структурной схемы противоболевого  электронейростимулятора

 

На рисунке 1 представлена структурная схема противоболевого электронейростимулятора.

 

Рисунок 1 - Структурная схема противоболевого электронейростимулятора.

Схема работает следующим образом. Задающий генератор 1 формирует импульсы длительностью t₂ = 4 мкс и периодом следования t₁ = 10 мкс (рисунок 2а). С выхода генератора импульсы поступают на первый вход модулятора.

Задающий генератор 2 формирует импульсы длительностью t₃ = 2 мс и частотой следования изменяемой в пределах от 10 до 150 Гц (рисунок 2б). Эти импульсы поступают на второй вход модулятора.

С выхода модулятора получаем пачки импульсов, форма которых определяется задающим генератором 2, а импульсы заполнения определяются задающим генератором 1 (рисунок 2в). Выходные сигналы модулятора поступают на схему усиления, где усиливаются до значений необходимых для нормальной работы выходного каскада. Выходной каскад формирует биполярные импульсы амплитудой 70 мА (рисунок 2г), после чего сигнал через электроды подаётся на тело пациента.

Рисунок 2 - Временные диаграммы с выхода:

 а) задающего генератора 1; б)  задающего генератора 2;

 в) модулятора; г) выходного  каскада.

В цепи пациента находится схема  измерения тока, которая передаёт измеренные значения на ЦИ. Блок питания  преобразует сетевое напряжение 220 В, 50 Гц в напряжение, необходимое для стабильной работы каждого блока схемы.

2.2 Расчёт времязадающих цепей

 

Задающие генераторы 1 и 2 собраны  на микросхеме К155ЛА3 по схеме показанной на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема задающего генератора

 

Пусть на выходе 1 в начальный момент времени логическая единица, равная напряжению логической единицы ТТЛ - логики 2,4В. На входах 1 и 2 – логический ноль. Ёмкость С1 начинает заряжаться с τ₁ = R2*С1. Напряжение на входе 2 уменьшается по экспоненте. [4]

U_вх2 = Е_пexp(-t_и/ τ)                                                                                         (1)

При U_вх2 = Uпор = 0,4В напряжение на выходе 2 меняется на логическую единицу. В этот момент на выходе 1 – логический ноль. Ёмкость С2 заряжается с постоянной времени τ₂ = R1*С2. Таким образом, продолжительность импульсов на выходе 1 определяются τ₁ = R2*С1, а продолжительность пауз определяется τ₂ = R1*С2. Из формулы (1) следует:

τ =  t / ln2 ,                                                                                                              (2)

 

где t – длительность паузы или длительность импульса.

Параметры задающего генератора 1:

t_и = 4 мкс t_п = 6 мкс

τ₁ = 5,77 мкс.   С1 = 43 нФ, R2 = 130 Ом

τ₂ = 8,66 мкс    С2 = 43 нФ, R1 = 200 Ом

Параметры задающего генератора 2:

t_и = 2 мс

Так как у задающего генератора 2 частота меняется от 10 до 150 Гц за счет изменения длительности паузы, то t_п = 4,67 мс…98 мс

τ₁ = 2,89 мс.   С1 = 3,9 мкФ, R2 = 750 Ом

τ₂ = 6,74 мс…141,4 мс    С2 = 47 мкФ,

R1 = R₀ + ΔR ,                                                                                                        (3)

где R₀ = 150 Ом – постоянный резистор;

ΔR = 3,3кОм – переменный резистор, обеспечивающий изменение частоты в диапазоне от 10 до 150 Гц.

На принципиальной схеме С3 = 3,9 мкФ, R5 = 750 Ом, С4 = 47 мкФ, R3=150 Ом, R4 = 3,3 кОм.

 

2.3 Проектирование  выходного каскада

2.3.1 Расчёт параметров выходного  каскада

 

С выходов задающих генераторов 1 и 2 импульсы поступают на вход логического элемента И-НЕ, выполняющего роль модулятора. На выходе модулятора пачки импульсов амплитудой 5В. На VT1 и VT2 собран эмиттерный  повторитель, который обеспечит требуемый ток.

Выходной каскад собран на транзисторах VT3 – VT6. VT3, VT6 - управляемые ключи, а VT4, VT5 – источники тока. VT3, VT4 – 2SC103A. VT5, VT6 – 2SC364. [5] Максимальный ток коллектора VT3 80 мА при β = 100, следовательно, ток базы насыщения 0,8 мА. Трансформатор Т1 ММТИ166 с коэффициентом передачи 1. Напряжение, подаваемое во вторичной обмотке, равно 5В.

R7 = 5В/0,8мА ≈ 6,2 кОм.                                                                             (4)

Для VT6 I_{k max} = 40мА, β = 100, отсюда I_{б нас} = 0,4мА и

R8 = 5В/0,4мА ≈ 13 кОм.                                                                              (5)

Для того чтобы открыть VT3, VT6 потребовалась мощность                             Р₂ = 5В*(0,8мА+0,4мА)=6мВт. Следовательно, эмиттерный повторитель на VT1, VT2 должен обеспечить мощность Р₁ = 7мВт. При питании 5В ток равен 1,4 мА.

VT1 2Т301Г I_{k max} = 10мА, β = 10;

VT1 2Т104Г I_{k max} = 10мА, β = 10.

Для обеспечения выходного тока 1,4 мА базовый ток на транзисторах

I_б = I_k / β = 0,14 мА,                                                                                       (6)

где I_k =1,4мА; β = 10.

На выходе модулятора 5В, следовательно,

R6 = 5В/0,14мА = 36 кОм.                                                                            (7)

Ёмкость С5 предназначена для устранения постоянной составляющей, которая вводила бы сердечник трансформатора в насыщение.

τ = R6*С5 > τ_и                                                                                                (8)

τ_и = 10 мкс

С5=3 нФ.

Для обеспечения постоянного режима работы источников тока необходимо чтобы I_VT4, I_VT5 были согласованы с длительностью стимулирующих импульсов:

I_VT4*t_и =  I_VT5*t_п                                                                                              (9)

t_и = 4мкс t_п = 6мкс.

Для того, чтобы напряжение на разделительной ёмкости С6 после переходного процесса было равным нулю должно выполняться условие