Электростимулятор желудочно-кишечного тракта (варианты)

Изобретение относится к области биомедицинской инженерии, а именно к электростимулирующим устройствам для диагностики и лечения органов и тканей. Электростимулятор желудочно-кишечного тракта выполнен в виде герметичной капсулы, содержащей два электрически изолированных друг от друга чашеобразных электрода, в которой размещена гибридная интегральная схема, включающая генератор стимулирующих импульсов, соединенный через делитель частоты с выходным устройством, при этом выходное устройство соединено с чашеобразными электродами и соединено с электронным ключом, источник питания, блок измерения импеданса, выход которого через усилитель соединен с входом блока синхронизации, выход которого подключен к управляющему входу генератора стимулирующих импульсов, и ограничительный резистор. Чашеобразные электроды идентичны друг другу и соединены диэлектрической втулкой, на которой между ними параллельно друг другу расположены два идентичных дополнительных электрода, электрически изолированных от чашеобразных электродов и между собой, дополнительные электроды соединены с блоком измерения импеданса и с разомкнутыми входом и выходом первого электронного ключа, вход разрешения прохождения сигнала которого соединен со вторым выходом делителя частоты, при этом второй выход генератора стимулирующих импульсов через ограничительный резистор соединен с первым чашеобразным электродом, а источник питания своими полюсами соединен со вторым электронным ключом, выходным устройством, блоком синхронизации, усилителем, блоком измерения импеданса, делителем частоты, первым электронным ключом, через второй электронный ключ с генератором стимулирующих импульсов и подключен ко второму чашеобразному электроду. Согласно другому варианту выполнения один из чашеобразных электродов имеет аспирационные отверстия и снабжен штуцером для соединения с трубкой-катетером, в которой размещена гибридная интегральная схема. Использование изобретения позволяет повысить эффективность электростимуляции путем создания электростимулятора с повышенной точностью регистрации изменения импеданса измеряемого биологического объекта. 2 н.п. ф.лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области биомедицинской инженерии, а именно к электростимулирующим устройствам для диагностики и лечения органов и тканей.

Известен электростимулятор желудочно-кишечного тракта, выполненный в виде герметичной капсулы, содержащей два электрически изолированных друг от друга чашеобразных электрода, один из которых имеет аспирационные отверстия и снабжен штуцером для соединения с трубкой-катетером, в которой размещена гибридная интегральная схема, включающая генератор стимулирующих импульсов, соединенный через делитель частоты с выходным устройством, при этом выходное устройство соединено с электродами и соединено с электронным ключом, источник питания, блок измерения импеданса, выход которого через усилитель соединен с входом блока синхронизации, выход которого подключен к управляющему входу генератора стимулирующих импульсов, и ограничительный резистор [1. Патент №2195972 РФ, МПК7 А61 N 1/36 Электростимулятор желудочно-кишечного тракта / Я.С.Пеккер, С.Ф.Глущук (РФ)-2001100177/14. Заявлено 03.01.01; Опубл. 10.01.03. Бюл. №1].

Данный электростимулятор взят нами за прототип.

Недостатки электростимулятора-прототипа можно выявить, если рассмотреть область между электродом и биологическим объектом. Известно, что между поверхностью электрода и биологической тканью присутствует контактное сопротивление [2. Я.С.Пеккер, К.С.Бразовский и др. Электроимпедансная томография.- Томск: Изд-во НТЛ, 2004. - 192 с.], на величину которого влияют два фактора - удельное сопротивление наружных слоев биологического объекта и качество контакта. Если электрод прилегает неплотно (что свойственно для электродов электростимулятора-прототипа), то эффективная площадь контакта уменьшается, а эффективное значение контактного сопротивления увеличивается. При импедансных измерениях падение напряжения на таком сопротивлении может достигать очень больших величин, что делает невозможным зарегистрировать изменения электрического сопротивления исследуемого объекта. А отсутствие сигнала для запуска генератора стимулирующих импульсов электростимулятора и синхронизации его работы с текущей фазой сокращения гладкомышечной мускулатуры ЖКТ приведет к снижению эффективности электроимпульсного воздействия.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности электростимуляции путем создания электростимулятора с повышенной точностью регистрации изменения импеданса измеряемого биологического объекта.

Поставленная задача по первому варианту достигается тем, что так же, как в прототипе, электростимулятор желудочно-кишечного тракта выполнен в виде герметичной капсулы, содержащей два электрически изолированных друг от друга чашеобразных электрода, один из которых имеет аспирационные отверстия и снабжен штуцером для соединения с трубкой-катетером, в которой размещена гибридная интегральная схема, включающая генератор стимулирующих импульсов, соединенный через делитель частоты с выходным устройством, при этом выходное устройство соединено с электродами и соединено с электронным ключом, источник питания, блок измерения импеданса, выход которого через усилитель соединен с входом блока синхронизации, выход которого подключен к управляющему входу генератора стимулирующих импульсов, и ограничительный резистор.

Согласно изобретению чашеобразные электроды соединены диэлектрической втулкой, на которой между ними параллельно друг другу расположены два идентичных дополнительных электрода, электрически изолированных от чашеобразных электродов и между собой. Дополнительные электроды соединены с блоком измерения импеданса и с разомкнутыми входом и выходом первого электронного ключа, вход разрешения прохождения сигнала которого соединен со вторым выходом делителя частоты. Второй выход генератора стимулирующих импульсов через ограничительный резистор соединен с первым чашеобразным электродом без аспирационных отверстий и штуцера. Источник питания своими полюсами соединен со вторым электронным ключом, выходным устройством, блоком синхронизации, усилителем, блоком измерения импеданса, делителем частоты, первым электронным ключом, через второй электронный ключ с генератором стимулирующих импульсов, кроме того, источник питания подключен ко второму чашеобразному электроду с аспирационными отверстиями и штуцером.

Поставленная задача по второму варианту достигается тем, что так же, как в прототипе, электростимулятор желудочно-кишечного тракта выполнен в виде герметичной капсулы, содержащей два электрически изолированных друг от друга чашеобразных электрода, в которой размещена гибридная интегральная схема, включающая генератор стимулирующих импульсов, соединенный через делитель частоты с выходным устройством, при этом выходное устройство соединено с электродами и соединено с электронным ключом, источник питания, блок измерения импеданса, выход которого через усилитель соединен с входом блока синхронизации, выход которого подключен к управляющему входу генератора стимулирующих импульсов, и ограничительный резистор.

Согласно изобретению, чашеобразные электроды выполнены идентичными друг другу и соединены диэлектрической втулкой, на которой между ними параллельно друг другу расположены два идентичных дополнительных электрода, электрически изолированных от чашеобразных электродов и между собой, которые соединены с блоком измерения импеданса и с разомкнутыми входом и выходом первого электронного ключа, вход разрешения прохождения сигнала которого соединен со вторым выходом делителя частоты. Второй выход генератора стимулирующих импульсов через ограничительный резистор соединен с первым чашеобразным электродом. Источник питания своими полюсами соединен со вторым электронным ключом, выходным устройством, блоком синхронизации, усилителем, блоком измерения импеданса, делителем частоты, первым электронным ключом, через второй электронный ключ с генератором стимулирующих импульсов. Кроме того, источник питания подключен ко второму чашеобразному электроду.

Эквивалентную электрическую схему биологического объекта можно представить в виде последовательно соединенного активного сопротивления внутриклеточной среды и емкости мембраны клетки, которые шунтируются активным сопротивлением внеклеточной среды [2]. На низких частотах влияние емкостного сопротивления мало, преобладает сопротивление внеклеточной среды. Эта среда представляет собой электролит. Ионы движутся по промежуткам между отдельными клетками. При сокращении размеры межклеточников уменьшаются - сопротивление растет. Электрический импеданс тканей ЖКТ также находится в зависимости от степени сокращения мышц кишечника. Измеряя его изменения на низких частотах (до 1 кГц), можно получить сигнал для синхронизации работы генератора стимулирующих импульсов с текущими сокращениями гладкомышечной мускулатуры кишечника [3. Хачатрян А.П. Клинико-патофизиологические аспекты электроимпедансометрии: дис.... док. мед. наук: 14.00.16, 14.00.27. - Томск, 1992. - 52 с.].

При применении дополнительных электродов измеряемое сопротивление между ними будет складываться из контактных сопротивлений электродов и сопротивления биообъекта. При этом влияние емкостного сопротивления на низких частотах мало и результат измерения электрического импеданса будет определяться активными составляющими сопротивлений. Тогда погрешность измерения напряжения между дополнительными электродами электростимулятора будет определяться величинами контактного сопротивления дополнительных электродов и значением входного сопротивления блока измерения импеданса. Как следует из [2], с увеличением последнего погрешность измерения будет стремиться к нулю. Более того, при применении дополнительных электродов существенно уменьшается чувствительность к дрейфу контактного сопротивления [2], что позволит заменить чашеобразный электрод со штуцером и аспирационными отверстиями на чашеобразный электрод без штуцера и аспирационных отверстий, трансформируя капсулу электростимулятора-зонда в автономный электростимулятор желудочно-кишечного тракта [4. Глущук С.Ф., Пеккер Я.С. Автономные электростимуляторы: Конструирование и применение: учебное пособие. - Томск: Изд - во ТПУ, 2004. - 367 с.].

Таким образом, применение дополнительных электродов позволяет существенно увеличить точность измерения импеданса, а следовательно, и эффективность адаптивной электрической стимуляции.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

Фиг.1 - капсула электростимулятора желудочно-кишечного тракта с чашеобразным электродом с аспирационными отверстиями и со штуцером в разрезе.

Фиг.2 - функциональная схема гибридной интегральной схемы электростимулятора желудочно-кишечного тракта.

Фиг.3 - функциональная схема ключевых элементов.

Фиг.4 - электростимулятор желудочно-кишечного тракта в разрезе.

Капсула электростимулятора желудочно-кишечного тракта по первому варианту содержит два электрически изолированных друг от друга чашеобразных электрода 1, 2. Чашеобразный электрод 2 имеет аспирационные отверстия 3 и снабжен штуцером 4 для соединения с трубкой-катетером (фиг.1). В капсуле размещены гибридная интегральная схема 5 и источник питания 6. Два идентичных дополнительных электрода 7 и 8 расположены параллельно друг другу на диэлектрической втулке 9 между чашеобразными электродами 1 и 2.

Гибридная интегральная схема 5 (фиг.2) включает генератор стимулирующих импульсов (ГСИ)10. Второй выход генератора стимулирующих импульсов 10 через ограничительный резистор (R) 11 соединен с первым чашеобразным электродом (ЧЭ1)1. Первый выход генератора стимулирующих импульсов 10 соединен с делителем частоты (ДЧ) 12, первый выход которого соединен с выходным устройством (ВУ) 13, соединенным своим выходом с первым чашеобразным электродом 1, а второй выход - с входом 14 разрешения прохождения сигнала первого электронного ключа (ЭК1) 15, соединенного входом 16 и выходом 17 (фиг.3) с дополнительными электродами 7, 8, которые также соединены с входами блока измерения импеданса (БИИ)18, выход которого через усилитель (У) 19 соединен с блоком синхронизации (БС) 20, выход которого соединен с управляющим входом генератора стимулирующих импульсов 10. Источник питания (ИП) 6 своими полюсами соединен со вторым электронным ключом (ЭК2) 21, выходным устройством 13, блоком синхронизации 20, усилителем 19, блоком измерения импеданса 18, делителем частоты 12, первым электронным ключом 15, через второй электронный ключ 21 с генератором стимулирующих импульсов 10. Кроме того, источник питания 6 подключен ко второму чашеобразному электроду 2 с аспирационными отверстиями и штуцером. При этом чашеобразные электроды 1, 2 соединены с сопротивлением нагрузки (Z_H) электростимулятора 23 (при нахождении последнего в среде желудочно-кишечного тракта), дополнительные электроды 7 и 8 соединены с измеряемым сопротивлением (Z_X) 24 (при нахождении электростимулятора в среде желудочно-кишечного тракта), а первый чашеобразный электрод 1 соединен с входом разрешения прохождения сигнала второго электронного ключа 21.

Во втором варианте, представленном на фиг.4, в конструкции капсулы чашеобразный электрод с аспирационными отверстиями и со штуцером 2 (фиг.1) заменен на чашеобразный электрод без аспирационных отверстий и штуцера 22.

Блоки 10, 12, 13, 21 (фиг.2) реализованы в интегральной схеме И 106 А (5. ТУ КЛГЯ.431238.600 Микросхема интегральная бескорпусная И 106 А. - 1991. - 20 с.).

Блоки 18, 19, 20 (фиг.2) можно реализовать аналогично описанным в работе [2].

В качестве электронных ключей можно использовать электронные ключи из работы [4. В.Л.Шило. Популярные цифровые микросхемы, Челябинск: Металлургия, 1989].

В качестве источника питания используются элементы питания типа СЦ-21 (ТУ 18 МО.080.010. Элементы серебряно-цинковые (СЦ). - 1986. - 33 с.).

Работает электростимулятор желудочно-кишечного тракта следующим образом.

При попадании электростимулятора желудочно-кишечного тракта в проводящую среду ЖКТ между чашеобразными электродами 1 и 2 (1 и 22, фиг.4) появляется некоторое сопротивление нагрузки (Z_H) 23, напряжение на Z_H поступает на вход разрешения прохождения сигнала второго электронного ключа 21. Вход и выход второго электронного ключа 21 замыкаются, и напряжение от источника питания 6 подается на генератор стимулирующих импульсов 10. ГСИ 10 начинает работать. При этом с его второго выхода сигнал поступает через ограничительный резистор 11 на первый чашеобразный электрод 1 (амплитуда этого сигнала, чтобы не вызывать стимуляцию ткани, значительно меньше (более чем на 2 порядка) амплитуды стимулирующего сигнала). Изменение напряжения на измеряемом сопротивлении (Z_X) 24 между дополнительными электродами 7, 8 (при сокращении гладкомышечной мускулатуры желудочно-кишечного тракта в месте нахождения электростимулятора) фиксируется блоком измерения импеданса 18. Результат измерения через усилитель 19 поступает на блок синхронизации 20, где формируется сигнал для синхронизации работы генератора стимулирующих импульсов 10 с текущей фазой сокращения мышечной ткани кишечника. Этот сигнал поступает на управляющий вход генератора стимулирующих импульсов 10, и электрические импульсы с первого выхода генератора стимулирующих импульсов 10 поступают на вход делителя частоты 12. При этом на выходе делителя частоты 12 формируется серия стимулирующих импульсов, которая через выходное устройство 13 поступает на чашеобразные электроды 1, 2 (по второму варианту выполнения - 1, 22 фиг.4), синхронно стимулируя гладкомышечную мускулатуру желудочно-кишечного тракта, тем самым усиливая естественный процесс ее сокращения. Импульс, по длительности соответствующий длительности сформированной серии импульсов на первом выходе делителя частоты, поступает на вход разрешения прохождения сигнала 14 (фиг.3) второго электронного ключа 15, который закорачивает входом 16 и выходом 17 дополнительные электроды 7, 8, исключая процесс измерения импеданса во время стимуляции. При следующем сокращении гладкомышечной мускулатуры желудочно-кишечного тракта весь процесс повторяется.

Работа электростимулятора желудочно-кишечного тракта (фиг.4) аналогична описанной выше. Отличие заключается в том, что возникающая при сокращении гладкомышечной мускулатуры кишечника перистальтическая волна передвигает капсулу адаптивного автономного электростимулятора в дистальный отдел пищеварительного тракта, в нем регистрируется изменение импеданса тканей кишечника, и весь процесс повторяется. Продвижение капсулы электростимулятора по желудочно-кишечному тракту позволяет производить поэтапную электрическую стимуляцию всего кишечника, тем самым ускоряя процесс восстановления его моторно-эвакуаторной функций по сравнению с первым вариантом.

Таким образом, введение в электростимулятор желудочно-кишечного тракта новых отличительных признаков позволили добиться нового положительного результата - повышения точности регистрации изменения импеданса измеряемого биологического объекта и, как следствие, усиления лечебного эффекта путем синхронизации стимулирующих импульсов ритмом собственных мышечных сокращений различных отделов желудочно-кишечного тракта, не вызывая при этом угнетения моторики последнего.

1. Электростимулятор желудочно-кишечного тракта, выполненный в виде герметичной капсулы, содержащей два электрически изолированных друг от друга чашеобразных электрода, один из которых имеет аспирационные отверстия и снабжен штуцером для соединения с трубкой-катетером, в которой размещена гибридная интегральная схема, включающая генератор стимулирующих импульсов, соединенный через делитель частоты с выходным устройством, при этом выходное устройство соединено с электродами и соединено с электронным ключом, источник питания, блок измерения импеданса, выход которого через усилитель соединен с входом блока синхронизации, выход которого подключен к управляющему входу генератора стимулирующих импульсов, и ограничительный резистор, отличающийся тем, что чашеобразные электроды соединены диэлектрической втулкой, на которой между ними параллельно друг другу расположены два идентичных дополнительных электрода электрически изолированных от чашеобразных электродов и между собой, дополнительные электроды соединены с блоком измерения импеданса и с разомкнутыми входом и выходом первого электронного ключа, вход разрешения прохождения сигнала которого соединен со вторым выходом делителя частоты, при этом второй выход генератора стимулирующих импульсов через ограничительный резистор соединен с первым чашеобразным электродом, а источник питания своими полюсами соединен со вторым электронным ключом, выходным устройством, блоком синхронизации, усилителем, блоком измерения импеданса, делителем частоты, первым электронным ключом, через второй электронный ключ с генератором стимулирующих импульсов и подключен ко второму чашеобразному электроду с аспирационными отверстиями и штуцером.

2. Электростимулятор желудочно-кишечного тракта, выполненный в виде герметичной капсулы, содержащей два электрически изолированных друг от друга чашеобразных электрода, в которой размещена гибридная интегральная схема, включающая генератор стимулирующих импульсов, соединенный через делитель частоты с выходным устройством, при этом выходное устройство соединено с чашеобразными электродами и соединено с электронным ключом, источник питания, блок измерения импеданса, выход которого через усилитель соединен с входом блока синхронизации, выход которого подключен к управляющему входу генератора стимулирующих импульсов, и ограничительный резистор, отличающийся тем, что чашеобразные электроды идентичны друг другу и соединены диэлектрической втулкой, на которой между ними параллельно друг другу расположены два идентичных дополнительных электрода, электрически изолированных от чашеобразных электродов и между собой, дополнительные электроды соединены с блоком измерения импеданса и с разомкнутыми входом и выходом первого электронного ключа, вход разрешения прохождения сигнала которого соединен со вторым выходом делителя частоты, при этом второй выход генератора стимулирующих импульсов через ограничительный резистор соединен с первым чашеобразным электродом, а источник питания своими полюсами соединен со вторым электронным ключом, выходным устройством, блоком синхронизации, усилителем, блоком измерения импеданса, делителем частоты, первым электронным ключом, через второй электронный ключ с генератором стимулирующих импульсов и подключен ко второму чашеобразному электроду.