Устройство для электрофизиологических исследований

 

Использование: устройство для электрофихиологических исследований относится к медицине и медицинской технике и может быть использовано для электрической стимуляции проводящих нервных путей . Сущность: устройство содержит генератор 1, счетчик 2, выходной каскад 3, трансформатор 4 на магнитопроводе с прямоугольной петлей гистерезиса, инвертор 5, декодер 7, блок 9 управления, потенциометр 12 и резисторы 13. Импульсы с выходного каскада 3 и инвертора 5 перемагничивают магнитопровод трансформатора 4 за короткий промежуток времени. После насыщения магнитопровода трансформатора 4 электроды оказываются замкнутыми через активное сопротивление обмотки 11.1 з.п. ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 А 61 N 1/36

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4829102/14 (22) 25,05.90 (46) 15.03,93. Бюл, N 10 (71) Институт физиологии им, И.П.Павлова ° (72) С.П,Романов (56) Патент США N. 8413418, кл. А 61 N 1/36, 1989. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ (57) Использование.: устройство для электрофихиологических исследований относится к медицине и медицинской технике и может быть использовано для электрической стимуляции проводящих нервных пуФ

Изобретение относится к медицинской технике и может использоваться в электрофизиологических исследованиях для электрической стимуляции проводящих нервных путей, нервных и мышечных структур и клеток, других возбудимых образований живых организмов, Кроме научно-исследовательской работы устройство может найти применение в медицинской практике как средство восстановления утраченных функций, Целью изобретения является повышение достоверности результатов измерений путем уменьшения поляризационных искажений при сохранении эффективности воздействия на возбудимые структуры тканей и уменьшении вызываемых электрическим стимулом артефактов, полное исключение прохождения тока через биологический объект в интервалах между стимулами и упрощение электронной схемы устройства для электрофизиологических исследований.

Изобретение поясняется фиг.1-3.

Фиг.1. Схема заявляемого устройства имеет: 1 — генератор, 2 — счетчик, 3 — выход„„. Ы „„1801514A l тей. Сущность: устройство содержит генератор 1, счетчик 2, выходной каскад 3, трансформатор 4 на магнитопроводе с прямоугольной петлей гистерезиса, инвертор 5, декодер 7, блок 9 управления, потенциометр 12 и резисторы 13. Импульсы с выходного каскада 3 и инвертора 5 перемагничивают магнитопровод трансформатора 4 за короткий промежуток времени, После насыщения магнитопровода трансформатора

4 электроды оказываются замкнутыми через активное сопротивление обмотки 11. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. ной каскад, 4 — трансформатор на сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса, 5 — (— инвертор, 6 — информационные входы, 7— декодер, 8 — управляющие входы, 9 — блок управления, 10 — блок индикации, 11 — вторичная обмотка трансформатора, 12 — потенциометр, 13 — резисторы.

Фиг.2. Пример конкретной реализации 00 устройства для электрофизиологических ис- („.) следований, где: 14 — тумблер, 15 — инвер- а тор, 16 — реверсивный счетчик, 17 — (Л кнопочный переключатель, 18 — переключатель, 19 — выход схемы.

Фиг.3, Осциллограммы ответа нервного ствола на стимуляцию короткими биполярными импульсами с выхода заявляемого устройства, где: 20 — ответ в нервном стволе, 21 — сигнал на выходе 19 выходного каскада

3. А, Б,  — разные длительности импульса на входе первичной обмотки трансформатора.

Блок-схема предлагаемого устройства (фиг.1) включает генератор 1, выход которого подключен к входу счетчика 2 и к основ1801514

55 ному входу выходного каскада 3, выход которого подключен к первому выходу первичной обмотки выходного трансформатора 4 непосредственно, а к второму выводу через инвертор 5. Информационные входы 6декодера 7 подключены к выходам счетчика 2, а

его другие, управляющие, входы 8 соединены с выходами блока 9 управления, Управляющие выходы декодера 7 подключены к дополнительным входам выходного каскада

3, а его другие выходы к входам блока индикации 10. Вторичная обмотка 11 трансформатора 4 на ферритовом сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса подключена к электродам, устанавливаемым на биологическом объекте. Регулирование энергией выходного импульса осуществляется потенциометром 12, который одним выводом подключен к источнику питания, а соединенными вместе в общую. точку другим и средним выводами подключен к выводам первого и второго резисторов 13, другие выводы которых подключены к соответствующим выводам первичной обмотки выходного трансформатора.

На фиг.2 приведен пример конкретного выполнения устройства для электрофизиологических исследований. Генератор 1 выполнен на инверторах, а включенный в цепь отрицательной обратной связи последовательно с резистором диод позволяет получить значительную скважносФь следования импульсов. Тумблер 14, включенный на одном из входов схемы совпадения на выходе генератора, обеспечивает подачу стимуляции на объект в нужные моменты времени, Счетчик 2 собран по известной схеме, вход которого соединен с выходом генератора 1 через инвертор 15 для согласования моментов прихода импульсов с выхода генератора 1 и выходов декодера 7 на входы выходного каскада 3, который представляет схему совпадения на несколько входов. Декодер 7 содержит реверсивный счетчик 16, выходы которого, являясь другими выходами декодера 7, подключены к входам блока индикации и к схемам совпадения, к вторым входам которых подключены соответствующие выходы счетчика 2. Выходы схем совпадения являются управляющими выходами декодера 7. Другие входы декодера 7 подключены к выходу блока-9 управления, пред. ставленного схемой устранения дребезга контактов с кнопочным переключателем 17 установки кода требуемой последовательности импульсов, выход которой через переключатель 18 подключается к входам реверсивного счетчика 16. Выход 19 выходного каскада 3 подключен к первичной обмотке выходного трансформатора на сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса, как показано на фиг,1, На фиг.3 представлены три осциллограммы ответов 20 в нервном стволе на его стимуляцию, различающуюся длительностью импульса на входе первичной обмотки выходного трансформатора (луч 21), На луче

20 видны артефакт ог заднего фронта импульса и овтет в нерве. Характерно, что вид ответа и его латентный период не меняются при изменении длительности импульса на входе трансформатора. Запуск лучей осциллографа, с экрана которого фотографировали сигналы, осуществлялся передним фронтом импульса с выхода 19 устройства.

Устройство работает следующим образом. После включения питания нэ блоке индикации высвечивается состояние реверсивного счетчика, отрэжающэе код стимулирующей последовательности импульсов. Переключением положения переключателя 18 (если необходимо) и нажатием кнопки 17 устанавливается код требуемой последовательности следования импульсов на выходе устройства. Выключением тумблера 14 разрешается прохождение импульсов с выхода генератора 1 на основной вход выходного каскада 3 и на вход счетчика 2.

При соответствующем сочетании состояния сигналов на выходах счетчика 2 и реверсивного счетчика 16 разрешается прохождение импульса с выхода генератора на выход 19 выходного каскада 3. Каждый импульс меня- . ет состояние потенциалов на концах первичной обмотки трансформатора, изменяя на противоположное направление тока в ней. Происходит перемагничивание сердечника из состояния "0" в состояние "1", причем время перемагничивания равно

t = Sw(Hm — Но), (1) где Sw — постоянная переключения в эрст

*мкс, Но — величина поля, близкая к коэрцитивной силе, Hm — величина магнитного поля, тождественная AW, Во вторичной обмотке трансформатора при этом наводится ЭДС (в вольтах) е = W b„2I3*S/*ò, (2) где W b x — число витков выходной обмотки,  — магнитная индукция, S — площадь поперечного сечения сердечника в кв,см, t — время перемагничивания сердечника.

В момент окончания импульса вновь меняются уровни потенциалов на концах первичной обмотки трансформатора и в соответствии с формулами 1 и 2 во вторичной обмотке трансформатора вновь генерируется тождественная ЭДС, но противоположного знака. Таким образом на стимулирующих электродах формируется напряжение только в моменты переключе1801514

10 состояния в другое, что приводит к изменению уровня ЭДС (формула 2) на выходе вто- 15 ричной обмотки, 20

25 раздражении мозговых структур, стимуляции мышц, стимуляции спинного мозга через эпидурально вживленные электроды, 50

55 ния состояния сердечника из одного в другое. Изменение исходных потенциалов на концах первичной обмотки ("0" на одном и

"1" на другом) на противоположные и последующий возврат к исходному состоянию обеспечивают полную идентичность отрицательного и положительного импульсов на выходе вторичной обмотки трансформатора. Перемещением движка потенциометра

12 изменяем возможные уровни потенциала на концах первичной обмотки трансформатора и, в соответствии с формулой 1, время переключения сердечника из одного

Осциллограммы на фиг.3 показывают, что возникающей во вторичной обмотке

ЭДС достаточно для возбуждения активности в нервном стволе, Специально проведенное исследование с изменением длительности импульса на входе первичной обмотки трансформатора показало, что возбу>кдение осуществляется импульсом, полярность которого совпадает с направлением отклонения регистрируемого ответа. Латентность и форма ответа не меняются при изменении длительности воздействующего на первичную обмоткутрансформатора импульса (осциллограммы, А, Б, 8), Артефакт от переднего фронта импульса в отрицательном направлении не виден, но тождественен первому отклонению луча 20 вверх на осциллограммах, соответствуя длительности и амплитуде воздействующего на нерв импульса. Максимальный ответ в нерве достигается при расстоянии между парами стимулирующих импульсов 80 — 300 мкс, т.е. длительности импульса на выходе

19 выходного каскада 3. На представленных осциллограммах (фиг,3) длительность импульса (луч 21) на входе первичной обмотки трансформатора составляла для А — 380 мкс, для Б — 640 мкс, для  — 1100 мкс, Устройство для электрофизиологических исследований испытано при стимуляции не только нервных стволов, но показана

его эффективность в экспериментах при при стимуляции биологически активных точек (точек акупунктуры).

Достоинства устройства заключаются в отсутствии значительных артефактов от раздражения, что обеспечивает уменьшение поляризующего действия стимулирующего тока как на электровозбудимые структуры, так и на вход регистрирующей аппаратуры, позволяя значительно повы30

45 сить точность проведения нейрофизиологических исследований, Уменьшение поляризационных влияний способствует более локальному возбуждению отдельных образований мозга, что важно для выяснения их связей и функции в ЦНС, и делает возможным применение множественной стимуляции в огранических объемах мозга, Преимущества предлагаемого нами трансформаторного выхода на ферритовом сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса заключаются в уменьшении габаритов и веса выходного узла. Вес примененного в заявляемом устройстве изолирующего трансформатора вместе с обмотками не превышает 3 Г, осуществляя эффективную стимуляцию возбудимых структур, т.е. вызывая сокращение мышечных волокон, появление распространяющихся потенциалов действия в нерве, возбуждение нейронных структур мозга.

Уменьшение габаритов выходного трансформатора — в нашем случае использовался ферритовый сердечник диаметром

10 мм и высотой 5 мм, что значительно меньше размеров выходных трансформаторов и изолирующих блоков, приводит к снижению веса и габаритов всего устройства, Кроме того стимулирующие импульсы поло>кител ьной и отрицательной полярности получены при использовании одного источника питания без применения дополнительных преобразователей. Источника напряжения в пять вольт достаточно для получения ЭДС во вторичной обмотке до 40 вольт. По существу исчезает артефакт раздражения, так как короткие импульсы, даже значительной амплитуды, не запирают вход усилительной аппаратуры, Применение трансформатора на сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса позволяет осуществлять множественную одновременную стимуляцию, используя несколько (десятков) выходных каскадов с различными законами следования последовательностей импульсов. В частности, шестиразрядные счетчик 2 и реверсивный счетчик 16 обеспечивают 64 различных последовательности следования импульсов на выходе устройства, Малые габариты и малое потребление энергии от источника питания способствуют миниатюрному исполнению устройств для электрофизиологических исследований, что важно для вживляемых или индивидуально используемых многоканальных электростимулирующих средств, в частности, при усложнении физиологических экспериментов по изучению механизмов переработки информации в ЦНС. при нарушении двигательной деятельности, при разработке

1801514 устройств непосредственного ввода информации в нервную систему в случае замещения (протезирования) утраченной функции, например, органов зрения или слуха, Формула изобретения

1. Устройство для электрофизиологических исследований, содержащее последовательно соединенные генератор, счетчик, декодер и выходной каскад, и трансформатор, один вывод первичной обмотки которого подключен к выходу выходного каскада, а вторичная обмотка подключена к электродам, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения достоверности результатов измерений путем уменьшения ноляризационных искажений, оно содержит инвертор, 8 вход которого соединен с выходом выходного каскада, и выход подключен к другому выводу первичной обмотки трансформатора, блок управления, выходы которого сое5 динены с другим входом декодера, и блок индикации, входы которого подключены к другим выходам декодера, причем магнитопровод трансформатора выполнен с прямоугольной петлей гистерезиса.

10 2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью регулировки параметров электростимулов, оно содержит потенциометр и два резистора, одни выводы которых подключены к выводам первичной

15 обмотки трансформатора, а другие — к потен циометру.

1801514

Б

20

Составитель Б,Попов

Техред М.Моргентал

Редактор

Корректор M.Keðåöìàí

Заказ 807 . 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