Электростимулятор дыхания

 

Изобретение относится к медицинской технике, з именно к э ектростимуляторам дыхания, и может быть использовано в медицинсксй практике для электростимуляции диафрагмы или диафрагмальных нервов у больных, страдающих дыхательной недостаточностью с целью нормализации дыхания , а также в реанимации и интенсивной терапии. Цель изобретения - повышение стимуляции безопасности при отказе датчика дыхания путем ограничения скорости изменения длительности стимуляции Датчик 1 дыхания фиксирует дыхательные попытки больного, т.е. при каждой дыхательной попытке на выходе датчика 1 дыхания формируется электрический импульс Частота дыхания больного за определенный промежуток времени запоминается и по данной

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (51)5 А 61 N 1/36

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и (21) 4800477/14 (22) 11.03.90 (46) 07.10.92. Бюл. М 37 (71) Филиал Всесоюзного научно-исследовательского института электромеханики (72) В, И. Глухов, А. П. Сарайкин, А. Б. Галицкий, А. А. Приймак и А. Д. Бенцианов (56) Авторское свидетельство СССР

М 1255151, кл. А 61 N 1/36, 1986, (54) ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯТОР ДЫХАНИЯ (57) Изобретение отчосится к медицинской технике, а именнг к э .ектростимуляторам дыхания, и может быть использовано в медицинскс и практике для электростимуляции диафрагмы или диафрагмальных нервов у больных, страдающих дыхательной недостаточностью с целью нормализации дыхания, а также в реанимации и интенсивной терапии. Цель изобретения — повышение стимуляции безопасности при отказе датчика дыхания путем ограничения скорости изменения длительности стимуляции, Датчик 1 дыхания фиксирует дыхательные попытки больного, т.е, при каждой дыхательной попытке на выходе датчика 1 дыхания формируется электрйческий импульс, Частота дыхания больного за определенный промежуток времени запомийается.и по данной

1766421 частоте формируется требуемая длительность пачки импульсов с законом изменения частоты следования импульсов в пачке, моделирующим физиологический процесс дыхания, а именно, в первой половине пачки возрастает по линейно-ступенчатому закону, а во второй половине частота постоянна и равна максимальному значе) А рф,,1с! "" фЦ л;" с:.

tq 4

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно, к электростимуляторам дыхания, и может быть использовано в медицинской практике для электростимуляции диафрагмы или диаф- 5 рагмальных нервов у больных с дыхательной недостаточностью с целью нормализации дыхания, а также в реанимации и интенсивной терапии.

Известен электростимулятор дыхания 10 по а.с. № 1351611, кл. А 61 N 1/36, содержащий суммирующий счетчик, вычитающий счетчик, делитель частоты, схему сравнения, первый элемент И, схему пересчета, группу элементов И, формирователь импу- 15 льсов, группу управляющих сигналов. Недостатком устройства является отсутствие синхронной (синхронно дыхательным попыткам больного) стимуляции, Известен электростимуятор дыхания по 20 а. с. ¹ 11229922777744,, кКл, А 61 Н 31/00, который содержит формирователь стимулирующих импульсов, усилитель мощности, электроды и цепь обратной связи, которая выполнена в виде датчика дыхательных движений, ком- 25 паратора, триггера, линии задержки, элемента ИЛИ-НЕ, счетчика, цифро-аналогового преобразователя, генератора такто.вых импульсов. Недостатком устройства является отсутствие автоматической уста- 30 новки требуемой организму длительности пачки импульсов.

Известно устройство наиболее близкое по технической сущности к предлагаемому решению и взятое авторами за прототип. 35

Это электростимулятор дыхания по а, с. N.

1255151, кл. А 61 1/36, 1986 г., который содержит последовательно соединенные вычитающий счетчик, схему сравнения и первую схему И, первый суммирующий 40 счетчик, выходы которого подключены к входам схемы сравнения, и делитель частоты, вход которого соединен с входом вычитающего счетчика, другой вход которого подключен к выходу схемы сравнения, а так- 45 же он снабжен последовательно соединенными датчиком дыхания, второй схемой И, нию, При этом- даже если не срабатывает датчик 1 дыхания, погрешность требуемой длительности пачки импульсов незначительна. Данные пачки импульсов усиливаются в усилителе 10 мощности и через электроды подаются на диафрагму, вызывая искусственный вдох больного. 1 ил, вторым суммирующим счетчиком, запоминающим устройством, мультиплексором и

RS-триггером, выход которого подключен к второму входу делителя частоты и входу первого суммирующего счетчика, последовательно соединенными Т-триггером и третьей схемой И, выход которой подключен к второму входу первого суммирующего счетчика, инвертором, вход которого соединен с вторым входом второй схемы И и входом делителя частоты, а его выход — c вторым входом RS-триггера, схемой задержки, вход которой подключен к выходу датчика дыхания, управляющему входу запоминающего устройства и вторым входом Т-триггера, первой и третьей схем И, а выход — к второму входу второго суммирующего счетчика, а также усилителем мощности, вход которого подключен к выходу первой схемы И, причем выход делителя частоты соединен с мультиплексором, второй вход Т-триггера подключен к выходу первого суммирующего счетчика, а выход— к выходу схемы сравнения. На выходе датчика дыхания формируются положительные импульсы, длительность которых равна длительности вдоха пациента, Данная длительность записывается в запоминающем устройстве. При формировании текущего стимулирующего сигнала используется половина длительности вдоха, записанного в запоминающем устройстве, для формирования линейно-ступенчатого нарастания частоты от начального до конечного значения в течение данного времени, Длительность текущего стимулирующего сигнала определяется длительностью текущего вдоха, фиксируемого датчиком дыхания.

Недостатком устройства является то, что при отсутствии сигнала с датчика дыхания (не сработал датчик по каким-либо причинам, например, при слабом спонтанном дыхании) или при задержке вдоха пациента (длительном вдохе), то в запоминающем устройстве записывается данная длительность и при формировании текущего вдоха длительность нарастания частоты может

1766421

6 быть очень большой величины для текущего вдоха, хотя и ограничивается устройством по длительности, потому что частота дыхания пациента может находиться в широких пределах (приблизительно от 6 до 40 дыханий в минуту, см. Анестизиология и реаниматология, N 2, 1985 г. стр. 90) и данное ограничение должно ориентироваться на формирование нижнего предела частоты дыхания. Кроме того, окончание стимулирующего сигнала фиксируется окончанием текущего вдоха по сигналу, поступающему с датчика дыхания и при навязанной электростимуляции (длительность вдоха соответствует длительности стимулирующего сигнала) длительность формируемого стимулирующего сигнала может значительно отличаться от требуемой организму, Целью изобретения является повышение безопасности стимуляции при отказе датчика дыхания путем ограничения скорости изменения длительности стимуляции, Необходимость высокой точности установки длительности стымулирующего сигнала связана с тем, что неправильно выбранная длительность стимулирующего сигнала не обеспечивает достаточный комфорт процесса стимуляции и приводит к низкой эффективности электростимуляции дыхания. а именна, малая длительность вызывает неполноценный вдох, большая— приводит к быстрой усталости нервно-мышечного синапса (см. Медицинская техника.

К. 6, 1986, стр. 19 — 22). Высокая точность установки длительности стимулирующего сигнала позволит улучшить вентиляцию легких и повысить комфортность процесса лечения, Поставленная цель достигается тем, что в электростимулятор дыхания, содержащий последовательно соединенные датчик дыхания, первый суммирующий счетчик, последовательно соединенные второй суммирующий счетчик, мультиплексор и RSтриггер, последовательно соединенные вычитающий счетчик, элемент сравнения, первый элемент И и усилитель мощности, а также первый делитель частоты и инвертор, выход которого соединен с R-входом RSтриггера, выход которого соединен с R-входом второго суммирующего счетчи ка, на вход инвертора, на вход первого делителя частоты и счетный вход вычитающего счетчика поступают импульсы эталонной частоты, выход элемента сравнения соединен с входом установки вычитающего счетчика, выход усилителя мощности является выходом устройства, допол нител ьно введены последовательно соединенные второй делитель частоты, первый и второй D-триггеры, группа D-триггеров, последовательно соединенные третий суммирующий счетчик и группа элементов И, а также последовательно соединенные дифференциатор, элемент ИЛИ, счетный триггер и второй элемент И, причем íà D-вход первого 0триггера поступает сигнал логической "1", а

R-вход соединен с выходом второго D-триггера и R-входом первого суммирующего счетчика, выходы которого соединены с 0входами группы D-триггеров, выходы которого соединены с управляющими входами мультиплексора, выход первого D-триггера соединен с тактовым входом группы D-триггеров, выход инвертора соединен с тактовым входом второго D-триггера, выход

RS-триггера соединен со вторым входом второго элемента И, выход которого соединен со счетным входом третьего суммирующего счетчика, выходы которого соединены с первой группой входов группы элементов

И, выходы которого соединены с входами элемента сравнения, а вторая группа входов — со старшим разрядом выхода третьего суммирующего счетчика и с входом дифференциатора, выход которого соединен со

BTopblM входом элемента ИЛИ, выход счетного триггера соединен со вторым входом элемента И, Такое решение позволит: — обеспечить формирование требуемую для организма длительность стимулирующего сигнала, — повысить эффективность и увеличить длительность непрерывной стимуляции; — обеспечить высокий комфорт процесса лечения.

Злектростимулятор дыхания содержит датчик 1 дыхания, первый делитель 2 частоты, первый суммирующий счетчик 3, второй

40 суммирующий счетчик 4, мультиплексор 5, RS-триггер 6, вычитающий счетчик 7, элемент 8 сравнения, первый элемент И 9, усилитель 10 мощности, инвертор 12, второй делитель 13 частоты, первый 14 и второй 15

45 D-триггеры, группу 16 D-триггеров, третий суммирующий счетчик 17, группу элементов

И 18, дифференциатор 19, элемент ИЛИ 20, счетный триггер 21 и второй элемент И 22.

Электростимулятор дыхания работает

50 следующим образом, Датчик 1 дыхания фиксирует дыхательные попытки больного, т.е, при каждой дыхательной попытке (начале спонтанного вдоха) на выходе формируется электрический импульс. Данные

55 импульсы поступают на счетный вход первого суммирующего счетчика 3 и каждый импульс изменяет код на его выходе, Данный код поступает íà D-входы группы 16 D-триггеров и каждый положительный перепад на его тактовом входе, формируемый через заданный промежуток времени (например, через минуту), передает кодс D-входов группы

16 D-триггеров на его выходы и на управляющие входы мультиплексора 5, При этом на

R-вход первого суммирующего счетчика 3 через короткий промежуток времени, равный половине периода сигнала эталонной частоты, поступает импульс (сигнал логической "1" с длительностью, равной периоду сигнала эталонной частоты) и устанавливает

его выходы в состояние логического "0". Таким ббразом, на управляющих входах мультиплексора 5 через заданный промежуток времени устанавливается код, соответствующий средней частоте дыхания за заданный промежуток времени (например, частота дыханий в минуту). Формирование заданного проме>кутка времени и сигналов управления по тактовому входу первого суммирующего счетчика 3 и тактовому входу группы 16 D-триггеров осуществляется следующим образом. Сигнал эталонной частоты поступает на вход второго делителя 13 частоты, коэффициент деления которого обеспечивает формирование на его выходе импульсов с требуемым периодом (например, равным 1 мин.). Предположим, что второй делитель 13 частоты срабатывает от положительного фронта на его входе. Тогда при положительном фронте сигнала эталонной частоты и появлении сигнала логической "1" на выхо,це второго 13 делителя частоты, который поступает на тактовый вход первого D-триггера 14, сигнал логической "1" с D-входа первого D-триггера 14 передается на его выход, на D-вход второго

D-триггера 15 и на тактовый вход группы 16

Э-триггеров. Последующий отрицательный перепад сигнала эталонной частоты (проме>куток времени равен половине периода сигнала эталонной частоты), поступая через ,инвертор 12 на тактовый вход второго Dтриггера 15, передает сигнал логической "1" с D-входа на его выход, который поступает на R-вход первого суммирующего счетчика

3 и на R-вход первого D-триггера 14 и устанавливает его выход в состояние логического "0". Последующий отрицательный перепад сигнала эталонной частоты (через

""0

30 промежуток времени, равный периоду сиг- 50 нала эталонной частоты) передает сигнал логического "0" с 1?-входа второго D-триггера 15 на его выход и через заданный промежуток времени (через минуту) процессы повторяются. Код на управляющих входах мультиплексора 5, соответствующий частоте дыхания за заданный промежуток времени (за минуту),открывает один из ключей К мультиплексора 5, Один из выходов второго суммирующего счетчика 4 через открытый ключ мультиплексора 5 "соединяется" с Sвходом RS-триггера 6, устанавливая тем самым заданный коэффициент деления К1 второго суммирующего счетчика 4, поскольку сигнал логической "1" на выходе RS-триггера 6, поступая íà R-вход второго суммирующего счетчика 4, устанавливает его выходы в состояние логического "0" и если срабатывание по тактовому входу второго суммирующего счетчика 4 осуществляется от положительного фронта сигнала эталонной частоты, проходящего через первый делитель 2 частоты, то через промежуток времени, равный половине периода сигнала эталонной частоты, сигнал логического "0" эталонной частоты, поступая через инвертор 12 íà R-вход RS-триггера 6, устанавливает его выход в состояние логического "0" и разрешает по R-входу второго суммирующего счетчика 4 его работе (сложению входных импульсов). Последовател ьность импульсов эталонной частоты поступает на счетный вход вычитающего счетчика 7 непосредственно, а на суммирующий вход третьего суммирующего счетчика 17 (данные счетчики — двоичные

Р-разрядные счетчики) — через первый делитель 2 частоты, через делитель частоты с переменным коэффициентом деления (через второй суммирующий счетчик 4, выполняющий функции делителя частоты с переменным коэффициентом деления) и через второй элемент И 22 (при сигнале логической "1" на втором входе второго элемента И 22 „При логической "1" на старшем разряде третьего суммирующего с етчика 17 код на выходах группы 18 элементов

И соответствует коду на выходах третьего суммирующего счетчика 17, а при логическом "0" — выходы группы 18 элементов И находятся в состоянии логического "0" независимо от кода на выходах третьего суммирующего счетчика 17, Коды на выходах группы 18 элементов И сравниваются с кодами вычитающего счетчика 7 элементом 8 сравнения. При совпадении кодов на выходе элемента 8 сравнения появляется сигнал логической "1", которая по установочному входу вычитающего счетчика 7 устанавливает на «го выходах начальный код, и выход элемента 8 сравнения возвращается в исходное состояние логического "0", формируя тем самым положительный импульс.

Следующее совпадение кодов на выходах группы 18 элементов И и выходах вычитающего счетчика 7 вызывает появление на выходе схемы 8 сравнения очередного положительного импульса и т.д, В процессе работы код на выходах третьего суммирующего счетчика 17 увеличивается, а код на

1766421

10 выходах вычитающего счетчика 7 уменьшается, причем скорость изменения кодов для каждого счетчика постоянна, а отношение их скоростей определяется коэффициентом

К2 второго суммирующего счетчика 4 и коэффициентом деления первого делителя 2 частоты. В результате на выходе элемента 8 сравнения при сигнале логической "1" на старшем разряде третьего суммирующего счетчика 17 образуется последовательность импульсов с частотой, изменяющейся по линейно-ступенчатому закону. При сигнале логического "0" на старшем разряде третьего суммирующего счетчика 17 код на выходах группы 18 элементов И равен "0", поэтому число импульсов, требуемых на вход вычитания счетчика 7 для его начальной установки, постоянно и равно минимальному значению, что соответствует максимальной частоте на выходе элемента

8 сравнения, Рассмотрим формирование сигнала на выходе счетного триггера 21. Предположим, что в исходном состоянии на выходе счетного триггера 21 присутствует сигнал логического "0". Код на выходах третьего суммирующего счетчика 17 не изменяется поскольку с выхода элемента И 22 поступает сигнал логического "0", При срабатывании датчика 1 дыхания (при начале вдоха больного) на его выходе появляется импульс (сигнал логической "1"), который через элемент ИЛИ 20 поступает на тактовый вход счетного триггера 21 и переводит его выход в состояние логической "1", которая разрешает прохождение импульсов через второй элемент И 22 на счетный вход третьего суммирующего счетчика 17 и на его выходах начинает изменяться код, Как только на старшем разряде третьего суммирующего счетчика 17 появится сигнал логической "1", то дифференциатор 19 выделяет положительный фронт данного сигнала и через элемент ИЛИ 20 по тактовому входу счетного триггера 21 устанавливает его выход в состояние сигнала логического "0", т,е. переводит в исходное состояние, Таким образом, третий суммирующий счетчик 17 работает в ждущем режиме и при каждом срабатывании датчика 1 дыхания в течении периода сигнала на его старшем разряде считает до исходного момента (момента появления сигнала логической "1" на старшем разряде). Именно в этот период времени (т.к. на выходе счетного триггера 21 присутствует сигнал логической "1", которая поступает на один вход первого элемента И 9) последовательность импульсов с выхода элемента 8 сравнения через первый элемент И 9 поступает на вход усилителя 10 мощности, и после усиления поступает на выход устройства.

Итак, при каждом срабатывании датчика 1 дыхания на выходе устройства в тече5 ние периода сигнала на старшем разряде третьего суммирующего счетчика 17 появляется пачка импульсов, причем как видно из описания выше, частота следования импульсов в первой половине пачки возраста10 ет по линейно-ступенчатому закону, а во второй половине частота постоянна и равна максимальному значению.

Длительность пачек импульсов на выходе устройства равна 15 1

Т1= — К1 . К2 2Р, Рэ где F, - эталонная частота;

К1 — коэ<рфициент деления первого делителя частоты 2:, 20 К2 — коэффициент деления второго суммирующего счетчика 4 (т.к, второй суммирующий счетчик 4, мультиплексор 5 и

RS-триггер 6, как было показано выше, образуют делитель частоты с управляемым ко25 эффициентом деления); р — число разрядов третьего суммирую- щего счетчика 17, Т.к. F>, К1, р — величины постоянные, а К2 является функцией частоты дыхания боль30 ного за определенный промежуток времени (например, за минуту), то и длительность пачек импульсов, формируемых устройством является функцией собственной частоты дыхания, т.е. изменяется в соответствии

35 с изменением частоты дыхания больного.

При этом даже не срабатывает датчик 1 дыхания, погрешность требуемой длительности пачки импульсов незначительна, Предположим, что при частоте дыхания

40 Fpsx. 20 дых/мин, и отношении вдоха к выдоху (скважности пачек), равном 1:2, на одном из спонтанных вдохов больного не сработал датчик 1 дыхания. Требуемая длительность пачек импульсов (при срабатыва45 ниях датчика дыхания на каждую дыхательную попытку за минуту)

20 3

Формируемая длительность пачек импуль50 сов (датчик дыхания один раз за минуту не сработал)

Т 1ф — 19 = 1,05 (с), 60

Погрешность составляет 5 и ею можно

55 пренебречь, В процессе лечения возможна корректировка отношения вдоха к выдоху, Это легко осуществить установкой нужного коэффициента деления первого делителя 2

". 766421

Формула изобретения

Электростимулятор дыхания, содержащий датчик дыхания, первый суммирующий счетчик, один вход которого соединен с выходом датчика дыхания, мультиплексор, инвертор, второй суммирующий счетчик, выходы которого подключены к одним входам мультиплексора, RS-триггер, один вход которого соединен с выходами мультиплексора, другой вход — с выходом инвертора, а выход — с одним входом второго суммирующего счетчика, последовательно соединенные первый элемент И и усилитель мощности, выход которого является выходом электростимулятора, вычитающий счетчик, элемент сравнения, одни входы которого подключены к выходам вычитающего счетчика, а выход соединен с одними

Составитель Б.Попов

Техред M,Ìîðãåíòàë

Корректор Н.Слабодяник

Редактор С.Кулакова

Заказ 3495 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 частота (К1) (например, если использовать делитель частоты с регулируемым коэффициентом деления или выбором делителя частоты из набора делителей с различными коэффициентами деления).

Предложенное устройство позволяет

"запомнить" частоту дыхания больного за определенный промежуток времени и по данной частоте сформировать требуемую длительность пачки импульсов с законом изменения частоты следования импульсов в пачке моделирующим физиологический процесс дыхания, Таким образом, погрешность формирования длительности стимулирующего сигнала незначительна даже при имеющихся несрабатываниях датчика дыхания.

Это позволяет повысить эффективность и увеличить длительность непрерывной стимуляции дыхания при обеспечении комфорта процесса лечения. входами вычитающего счетчика и первого элемента И, а также первый делитель частоты, вход которого подключен к входу инвертора, другому входу вычитающего счетчика

5 и входу эталонной частоты электростимулятора, отличающийся тем, что, с целью повышения безопасности стимуляции при отказе датчика дыхания путем ограничения скорости изменения длительности стимуля10 ции, он содержит первый О-триггер, второй

D-триггер, один вход которого подключен к выходу первого О-триггера, другой вход — к выходу инвертора, а выход — к одному входу первого D-триггера и другому входу перво15 го суммирующего счетчика, второй делитель частоты, вход которого соединен с входом инвертора, а выход — с другим входом первого D-триггера, группу D-триггеров, одни входы которой подключены к выходам пер20 вого суммирующего счетчика, другой вход— к выходу первого 0-триггера, а выходы — к другим входам мультиплексора, последовательно соединенные элемент ИЛИ и счетный триггер, последовательно соединенные

25 второй элемент И, третий суммирующий счетчик и группу элементов И, другие входы которой соединены с последним выходом третьего суммирующего счетчика, а выходы — с другими входами элемента сравнения, а

30 также дифференциатор, вход которого подключен к последнему выходу третьего суммирующего счетчика, а выход — к одному входу элемента ИЛИ, другой вход которого соединен с выходом датчика дыхания, при35 чем один вход второго элемента И подключен к выходу RS-триггера, другой вход — к выходу счетного триггера и другому входу первого элемента И, а выход первого делителя частоты соединен с другим входом вто40 рого суммирующего счетчика.