Устройство для исследования механических свойств мышц

 

Изобретение относится к медицинской технике, к устройствам для исследования и регистрации механической активности мышц человека и животных, особенно, гетерогенного миокарда и может быть использовано в физиологии, фармакологии и кардиологии. Цель изобретения - расширение области применения устройства. Использование изобретения обеспечивает выявление взаимодействия последовательных участков гетерогенного миокарда. Устройство содержит, по крайней мере, одну камеру 2 с физиологическим раствором 3 и электродами 6, 7 электростимулятора 8. В камере 2 размещены последовательно соединенные через рычаг 10 второй задатчик 11 для создания нагрузки на мышцу, препараты миокарда 4 и 5, соединенные с датчиком 9 силы сокращений мышц и блоком 13. В устройстве имеются ключи, сумматоры, блок 36 формирования физиологического режима нагрузки. 2 ил.

СООЗ СОВЕТСКИХ .

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК Я)5 А 61 В 5/103

ОПИОАНИЬ ИЗОБРЕТЕНИ

Я Д Д О,Э(ЯЩДЪ ЦНДЯ 1 влЩЩ Щ(ф

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

flQ ИЗОБРН ЕНИЯМ И ОТНРЬТИНМ

ПРИ ANT СССР (21) 4638590/14 (22) I 7.01.89 (46) 30. 07. 91. Бюл. М 28 (71) Институт физиологии Коми научного центра Уральского отделения

АН СССР и Свердловский городской центр научно-технического творчества молодежи (72) Ф.А.Бляхман, В.С.Мархасин, В.Я.Изаков и Х.М.Нафиков (53) 615,475(088.8) (56) Авторское свидетельство

1560094, кл, А 61 В 5/1О, 1988. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЫШЦ (57) Изобретение относится к медицинской технике, к устройствам для исследования и регистрации механической активности мышц человека и животных, особенно гетерогенного миоИзобретение относится к медицинс" кой технике, а именно к устройствам для исследования и регистрации механической активности гетерогенного миокарда и других мышц животных и человека, и может быть использовано в физиологии, фармакологии и кардиологии.

Цель изобретения - расширение области применения путем исследований взаимодействия последов-тельно расположенных участков мышечной ткани.

На Фиг.1 приведена функциональная схема устройства; на фиг.2 — диаграммы напряжений на выходах блоков уст„,SUÄÄ 1666065 А1

2 карда, и может быть использовано в физиологии, фармакологии и кардиологии. Цель изобретения - расширение области применения устройства. Использование изобретения обеспечивает выявление взаимодействия последовательных участков гетерогенного миокарда. Устройство содержит по крайней мере одну камеру 2 с физиологическим раствором 3 и электродами 6,7 . электростимулятора 8. В камере 2 размещены последовательно соединенные через рычаг 10, второй задатчик 11 для создания нагрузки на мышцу„ препараты 4 и 5 миокарда, соединенные с датчиком 9 силы сокращения мышц и блоком 13. В устройстве имеются ключи, сумматоры, блок 36 Формирования физиологического режима нагрузки.

2 ил. ройства, где использованы следующие р обозначения: А — напряжение на выходе электростимулятора; Б — напря- © жение на выходе сумматора 30; B — напряжение на выходе блока 36 Формирования физиологической нагрузки на мышцы; Г - напряжение на выходе датчика 18 перемещения рыч-га 10 Д1. максимальное укорочение комплекса препаратов 4 и 5 Д L4 — величина Ь укорочения препарата 4 под грузом

0 5 Ро в комплексе с препаратом 5„

6L — величина укорочения препарата

5 под грузом 0,5 Р в комплексе с препаратом 4 L. - время.

166606

Устройство для исследования механичс>ских свойств мышцы содержит корпус

1, камеру 2 с питательным физиологическим раствором 3 и размещенными в ней исследуемыми препаратами (мышцами) 4 и 5, В камере 2 размещены электроды 6 и 7 электростимулятора 8.

Одним концом первая мышца (пре" пврат) 4 жестко соединена с датчиком 10

9 силы сокращений, а друг ".. - с рычагфм !О второго задатчика i1 механических нагрузок (управляел1ым маятником).

С рычагом 10 также соединена одним концом вторая мышца (препарат) 5 . !5 другой ее конец жестко прикреплен к штоку 12 первого задатчика 13 механических нагрузок.

Рычаг l0 управляемого маятника 11 соединен с катушкой 14, имеющей об- 20 мотку 15, помещенными в зазор псстоянного магни>а 16; Катушка 14 заключена в зазоре с помощью часовой оси 17, зафиксированной по концам в оправе с рубиновыми камнями (не показано), позволяющей рычагу 10 с катушкой 14 свобо;лно перемещаться вдопь длинной оси посЛедовательно соединенных препара,ов 4 и 5. рьчагом 10 управляемого маятника 30

l1 соелинен также датчик 18 перемещения концов прегларатов 4 и 5, вклю-. чающий оптронную пару (светодиод фотодиод) 19, onò>.÷åoêèé канал которой перекрывается экраном 20., закрепленным на рычаге !О, Бток 12 первого задатчика 13 для создания нагрузки на мышцу соединен с цилиндрической катушкой 21, несущей обмотку 22. К тушка 21 с обл>откой .1О

22 закреплена в кольцевом зазоре 23 постоянного магнита 24 с пол>ощь|о жесткого диффузора 25 с возможностью перемещения вдоль длинной оси препара= тов 4 и 5.

Со штоком 12 соединен также первый датчик 26 перемещения концов мышцы, включающий onòðoííó î пару (светодиод — фотодиод) 27, оптический канал которой перекрыва-..тся экраном уО

28, закрепленным на штоке 12,.

Электронный блок 2 устройства содержит первый сумматор 30, инвертирующий первый вход которого через ключ 31 соединен с выходол датчика 9 силы сокращений. Второй неинвертирующий вход сумматора 30 соединен через ключ 32 с выходом усилителя

Выход сумматора 30 соединен одновре5

Д менно с регистратором 34 и входом 35 блока 36 формирования физиологического режима нагрузок. Выход блока 36 соединен одновременно с первым входом 37 второго сумматора 38 и через ключ 39 — с первым входом 40 третьего сумматора 41. Второй вход

«2 сумматора 38 соединен с выходом (фотодиодом) первого датчика 26 перемещения конца мышцы, сигнал от которого поступает также на регистратор 34, а выход сумматора

38 подключен к обмотке 22 средства l3 для создания нагрузки на мышцы, Второй вход 43 сумматора 41 через ключ 44 соединен с выходом (фотодиодом) измерителя 18, сигнал от которого поступает также на регистратор 34. Выход сумматора 41 соединен через низкоомное сопротивление 45 с обмоткой 15 управляемого маятника 11, Сопротивление 45 включено к входам

46 и 47 усилителя 33. Блок 36 является блоком формирования физиологического режима нагрузок, С его помощью задаются на входах 48 - 51 следующие параметры сокращения и расслабления миокарда: уровень постоянной составляющей постнагрузки; уровень преднагрузки; значение переменной составляющей постнагрузки; скорость растяжения мышцы.

Каждый из препаратов 4 и 5 может быть размещен в отдельной камере (не показано) с отдельными электродами, соединенными с электростимулятором (при необходимости через линию задержки) дпя того, чтобы осуществить индивидуальное фармако-физиологическое и/или электрическое воздействия на каждый из препаратов.

Устройство для исследования механических свойств мышцы работает следующим образом.

Испытуемые препараты миокарда и 5 помещают в камеру 2 с перфузирующим питательным раствором 3 (например, модифицированный раствор

Кребса) и каждый из них жестко крепится одним концом к рычагу 10 управляемого маятника 11. Второй конец препарата 4 крепится к шт оку датчика

9 силы сокращений, а второй конец препарата 5 - к штоку 12.

Перед началом исследования ключ

3! переводится s замкнутое состоя ->ие„ тем самым оеди lRR выход измерителя 9 силы сокращения с первым ахов

16660 дом сумматора 30. Ключи 32,39 и 44 при этом находятся в разомкнутом положении. На входах 48 - 51, блока

36 для формирования требуемой физио5 логической нагрузки устанавливаются переменными сопротивлениями необходимые для условий исследования значения механических переменных: уровень постоянной и переменной состав- 10 ляющих постнагрузки, уровень преднагруэки и скорость растяжения мышцы. .Включается стимулятор 8, от которого на электроды 6 и 7 подается импульс А напряжений (фиг,2). В ответ . 15 на воздействие (момент времени I на фиг.2) импульса стимулятора 8 препараты 4 и 5 начинают развивать механическое напряжение, которое преобразуется датчиком 9 силы сокращений в нарастающее электрическое напряжение, поступающее через замкнутый ключ 31 на первый вход сумматора 30.

При этом на выходе сумматора 30 появляется нарастающее напряжение Б (фиг.2), соответствующее значению силы, суммарно развиваемой препара. тами 4 и 5, и поступающее одновременно на регистратор 34 и вход 35 блока 36 формирования физиологической нагрузки °

Когда в момент времени II нарастающее напряжение Б на входе блока 36 достигнет установленного в этом же блоке напряжения, соответствующего постоянной составляющей постнагрузки (например, 0,4 Р, где Р - максимальное изометрическое при постоянной длине напряжение, развиваемое препаратами 4 и 5), на выходе блока 40

36 начинается формирование нарастающего электрического сигнала В (фиг.2), поступающего на перзый вход 37 сумматора 38 и с выхода последнего - на управляющий вход (обмотка 22) блока 45

13. При этом в обмотке 22 блока 13 появляется ток, обеспечивающий перемещение штока 12 с закрепленным на нем концом препарата 5 влево.

С момента времени II препараты

4 и 5 начинают укорачиваться, причем под общей нагрузкой, равной в данном случае 0 5 Ро (0 4 Ро — постоянная составляющая постнагруэки и 0,1 Р> переменная составляющая постнагрузки), установленной на входах 48 и 50 блока 36 формирования физиологической нагрузки на мышцы. Поскольку препа65 раты 4 и 5 соединены последовательно, нагрузка 0,5 Р приходится на каждый иэ них. При этом на выходе датчика 26 перемещения появляется напряжение, соответствующее укорочению комплекса препаратов 4 и 5, поступающее одновременно на регистратор 34 и второй вход 42 сумматора 38.

Напряжение В на первом входе 37 сумматора 38 и напряжение на входе

42 этого же сумматора не отличаются друг от друга по форме. Обратная связь по перемещению (измеритель

26 - второй вход 42 сумматора 38 блок 13) необходима лишь для более точного воспроизведения средством

13 напряжения В, сформированного блоком 36 и.поступающего на первый вход

37 сумматора 38.

По достижении комплексом препаратов 4 и 5 максимального укорочения (момент времени III на фиг.2), характерного для комплекса исследуе" мых препаратов миокарда, т.е. способных "поднять" на величину АЬ максимальный груз 0,5 Ро, напряжение в комплексе препаратов 4 и 5 начинает изменяться, а именно уменьшаться (Б, момент времени III на фиг.2). При этом напряжение В на выходе блока 36 поддерживается постоянным, что обеспечивает расслабление препаратов 4 и

5 при постоянной длине всего образованного ими комплекса (В, период времени III-IV на фиг.2) .

Когда сила препаратов 4 и 5 упадет до установленного на входе 49 блока 36 уровня преднагруэки (Б, момент времени IV на фиг.2), напряжение В на выходе блока 36 начнет уменьшаться до исходного значения.

При этом комплекс препаратов 4 и 5 растягивается с заданной на входе 51 блока 36 скоростью до исходной длины (момент времени V на фиг.2) и весь цикл сокращение — расслабление комплекса препаратов 4 и 5 завершается, При появлении на выходе электростимулятора 8 следующего импульса весь описанный ранее цикл повторяется (на фиг.2 не показано). После снятия необходимого количества циклов электростимулятор 8 отключается °

На диаграмме Г (фиг,2) изображено изменение напряжения на выходе измерителя 18 перемещений рычага 10 управляемого маятника 11, которое свидетельствует о том, что длина каж

1666065 дой из мышц 4 и 5 в ходе цикла сокращения комплекса непрерывно меняется даже в моменты времени I-II u IIIIV, когда длина комплекса препаратов

4 и 5 Фиксирована (В, фиг,2). Это в свою очередь означает, что препараты

4 и 5 имеют различную сократимость и образуют совместно гетерогенную систему. 10

Задача дальнейшего исследования заключается в том, ч1обы установить в 1ияет ли гетерогенность, следствием кОторой является непрерыв loe измене" нИе длины комплекса препаратов, на параметры сократимости каждого из

° препаратов 4 и 5, образующих данную гетерогенную систему, Из сопоставленйя диаграмм Б, В и Г (фнг,2) следует в данном случае, что препарат 4,20 сокращающийся в условиях неоднород-— ного комплекса, оказался способен нподнятьн максимальный груз 0.,5 Р, на величину A L4/Ã, а препарат 5 этот же максимальный груз 0,5 Р

" 1одн л"» на величину Ь L>, равную

Д1 — М-4 (В, Фиг:2) . Таким образом, задача дальнейшего исследования своди гся в конечном итоге K тому, чтобы установить какой максимальный груз может "поднять" препарат

4 на величину Д L4, а препарат 5 на величину p L в условиях самостоятельного сокращения, независимого от влияния гетерогенности. 35

Для этого ключи 31, 39 и 44 устанавливаются в замкнутое положение, а ключ 32 - в разомкнутое„ Включает-. ся стимулятор 8. В ответ на электрический импульс А стимулятора 8 препа40 рат 4 (момент времени I, Б, фиг.2) начинает развивать механическое напряжение, значение которого преобразуется измерителем 9 силы сокращений и поступает через замкнутый ключ 31 на первый вход сумматора 30, а с его выхода одновременно — на регистратор 34 и вход 35 Формирователя 36 фи-. зиологической нагрузки на мышцу.

С момента времени 1 препарат -4

Р / 50 начинает развивать механическое напряжение Б, которое c,òðåìèòcÿ перемес.тить рычаг 10 управляемого маятника

11 влево. Однако при этом на выходе (Фотодиод) датчика 18 перемещений

55 рычага 10 появляется электрический сигнал, поступающий через замкнутый

asia 44 на второй вход 43 сумматора

41, а с его выхода через низкоомный резистор 45 — на управляемый вход.

{обмотка 15) управляемого маятника

1 1. При этом в обмотке 15 маятника 11 возникает ток, обеспечивающий перемещение рычага 10 в исходное положение.

По мере того, как возрастает усилие, развиваемое препаратом 4> ток в катушке 15 увеличивается, что в свою очередь обеспечивает практически неизменной длину препарата 4 (перемещение рычага 10, необходимое для появ.пения напряжения на выходе датчика EB и, соответственно тока в обмотке 15 управляемого маятника El, определяется общим коэффициентом обратной связи и в данном случае составляют не более 0,53 от величины укорочения препарата).

Изменением напряжений на входах

48 и 50 блока 36 формирования Физиологической нагрузки подбирают максимальный груз для препарата 4 таким образом, чтобы на выходе блока 36

/ в период времени II -III (В,на фиг.2) появилось напряжение, поступающее через замкнутый ключ 39 на первый вход

40 сумматора 41, а с его выхода через низкоомный резистор 45 - на обмотку 15 управляемого маятника 11, обеспечивающее перемещение рычага 10 на величину укорочения препарата 4 (A L4)

Напряжение В с выхода блока 36 поступает также на первый вход 37 сумматора 38, тем самым обеспечивая перемещение штока 12 блока 13 также на величину Д1.4. Данная связь необходима, чтобы исключить влияние мешающей нагрузки на рычаг 10 со стороны препарата 5. В дальнейшем работа устройства и формирование сигналов в блоке 36 задачи физиологической нагрузки в моменты времени ?Х -Vt аналогична ранее описанной работе в момент времени II — V.

Разница заключается в том, что характерные моменты времени определяются немеханическим напряжением, развиваемым комплексам препаратов 4 и 5, а топько препаратом 4. Причем маятник 11 выполняет роль средства для создания нагрузки на мышцу 4.

После снятия требуемого числа циклов стимулятор . 8 выключается.

Для того, чтобы выяснить какой механический груз может поднять пре1666065

1п парат 5 самостоятельно на величину

1,, ключи 31, 32 и 44 устанавливают в замкнутое положение, а клю6 39 в разомкнутое. Включается стимулятор 8. В ответ на импульс А препараты 4 и 5 начинают развивать механическое напряжение, которое действует на рьчаг 1О маятника 11. Причем препарат 4 стремится переместить .рычаг tp

10,маятника 11 влево, а препарат

5 - вправо. Результат перемещения ры" чага g p определяется соотношением величин напряжений, развиваемых препаратами 4 и 5. В любом случае пере- 5 мещение рычага 10 в каком-либо направлении, например влево (если препарат

4 сильнее препарата 5), на выходе датчика 18 (фотодиоде) появляется напряжение, поступающее через замкнутый 20 ключ 44 на второй вход 43 сумматора

41. При этом íà его выходе появляется напряжение, поступающее через низкоомный резистор 45 на управляющий вход (обмотка 15) маятника 11. При этом в обмотке 15 маятника 11 возникает ток, обеспечивающий перемещение рычага 1О в исходное положение, т.е. вправо. По мере возрастания усилия, развиваемого результирующий силой со стороны препаратов 4 и 5 ток в обмотке 15 пропорционально возрастает.

Значение возрастающего тока на обмотке 15, соответствующее результирующей силе препаратов 4 и 5 (в данном случае Р4 — Р ), выделяется на низкоомном сопротивлении, 45 и поступает на входы 46 и 47 усилителя 33 и усиливается.

1 40

С выхода усилителя 33 напряжение, пропорциональное результирующей силе Р4- Р, поступает через замкнутый

45 ключ 32 на второй вход сумматора 30.

Одновременно на первый инвертирующий вход этого . же сумматора 30 через замкнутый ключ 31 поступает напряжение с датчика 9 силы сокращений, соответствующее значению механического

50 напряжения, развиваемого препаратом

4, Таким образом, на выходе сумматора 30 появляется нарастающее напряжение соответствующее P4 - P — Р

Р> т.е. силе, развиваемой пре° ° р (I паратом 5 (момент времени I ôèã. 2) .

Для случая, когда препарат 5 сильнее препарата 4 и рычаг 10 маятника 11 перемещается вправо, результат суммирования выглядит так: (Р— Р,1) - Р4=

Р .

Выделенное на выходе сумматора 30 напряжение, соответствующее развивае" мому препаратом 5 усилию, поступает одновременно на регистратор 34 и на выход 35 блока 36 для формирования физиологической нагрузки (Б, фиг.2 период времени I — II ) .

Далее подбором напряжений на входах 48 и 50 блока 36 устанавливается нагрузка такой величины, которую препарат 5 смог бы "поднятьн на величину Ь 1. . При этом на выходе блока 36 появляется напряжение В (фиг.2), поступающее на второй вход

42 сумматора 38,а с его выхода - на обмотку 22 средства 13 для создания нагрузки на мышцу. При этом шток 12 начинает перемещаться влево, а пре" парат 5 укорачивается на величину

15 (период в Реме ни I I I I I, В)

В дальнейшем работа устройства в

I / Г(,моменты времени II -Ч аналогична ранее описанной работе в моменты времени II — V. Отличие заключается в том, что характерные моменты II

l (/

Ч определяются механическим напряжением, развиваемым не комплексом препаратов 4 и 5, а только препаратом 5.

Причем маятник 11 совместно с датчи" ком 9 выполняет роль измерителя силы сокращений препарата 5. формула изобретения

Устройство для исследования механических свойств мышц, содержащее по крайней мере одну камеру с физиологическим раствором и электродами, l соединенными с электростимулятором,первый задатчик механических нагрузок, датчик перемещения конца мышцы, датчик силы сокращения мышцы, выход которого через ключ соединен с первым входом первого сумматора, выход первого сумматора соединен с входом блока формирования физиологического режима нагрузок, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого датчика перемещения конца мышцы, выход второго сумматора соединен с входом первого задатчика механических нагрузок, второй, третий и четвертый ключи, о т л и ч а ю

Т!

1á660á5 щ е е с я тем, что, с целью расширения области применения путем обеспечения исследования взаимодействия последовательно расположенных участ5 ков мышечной ткани, в него введены третий сумматор, второй задатчик ме-, ханических нагрузок,и второй датчик перемещения конца мйшцы, выход которого через второй ключ соединен с пер- ТО вым входом третьего сумматора, второй вход которого через третий ключ соединен с выходом блока формирования физиологического режима нагрузок, выход третьего сумматора соединен с входом второго задатчика механических нагрузок и через четвертый ключ соединен c . вторым входом первого сумматора.

Т

1 ь е3

Составитель Н. Панфилов

Редактор Н. Киштулинец Техред N,Äèäûê Корректор С.Шекмар

Заказ 1208 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Прсизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101