Электростимулятор желудочно-кишечного тракта
Владельцы патента RU 2294219:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет (RU)
Изобретение относится к области биомедицинской инженерии, точнее к электростимулирующим устройствам для диагностики и лечения органов и тканей. Электростимулятор желудочно-кишечного тракта содержит корпус, образованный в виде капсулы двумя чашеобразными изолированными друг от друга диэлектрической частью стимулирующими электродами, генератор импульсов, соединенный с преобразователем напряжения и выходом - с первым чашеобразным стимулирующим электродом, размещенный в герметичном отсеке корпуса с источником питания в виде гальванического элемента, и влагоудерживающий материал, при этом гальванический элемент выполнен в виде рулонной конструкции, состоящей из двух фольговых электродов с различными электрохимическими потенциалами, между которыми находится влагоудерживающий материал, на диэлектрической части корпуса сформированы отверстия, при этом фольговые электроды через преобразователь напряжения соединены с генератором импульсов, один из фольговых электродов гальванического элемента соединен со вторым чашеобразным электродом посредством проводника, при этом данный фольговый электрод, чашеобразные стимулирующие электроды и проводник выполнены из одного материала. Использование изобретения позволяет увеличить ресурс работы электростимулятора за счет повышения напряжения гальванического элемента. 2 ил.
Настоящее изобретение относится к области биомедицинской инженерии, точнее к электростимулирующим устройствам для диагностики и лечения органов и тканей.
Известен электростимулятор желудочно-кишечного тракта, содержащий корпус, образованный в виде капсулы двумя чашеобразными изолированными друг от друга диэлектрической частью стимулирующими электродами, генератор импульсов, соединенный с преобразователем напряжения и выходом - с первым чашеобразным стимулирующим электродом, размещенный в герметичном отсеке корпуса, с источником питания в виде гальванического элемента, и влагоудерживающий материал [1. Патент РФ №2203697, С2 А 61 N 1/36. Электростимулятор органов и тканей / Глущук С.Ф., Пеккер Я.С., Налесник О.И. (РФ) - 2001122940/14. Заявлено 14.08.2001; Опубл. 10.05.2003. Бюл. №13].
Данный электростимулятор взят за прототип.
Недостатками известного электростимулятора являются малые активные площади электродов гальванического элемента (ГЭ), приводящие к уменьшению рабочего напряжения гальванического элемента и, как следствие, к уменьшению его энергетической емкости, а следовательно, к уменьшению ресурса работы электростимулятора.
Известно что напряжение, измеряемое на клеммах работающего химического источника тока (ХИТ) - U, отличается от ЭДС ХИТ из-за поляризации электродов при протекании через них тока и омического падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника тока [2. Налесник О.И. Общая теория химических источников тока: - Томск: ТПИ, 1985. - 94 с.]:
где ΔЕ - напряжение поляризации; Е - ЭДС ХИТ; I - ток, протекающий в ХИТ; r - внутреннее омическое сопротивление источника тока.
Поляризация источника тока состоит из поляризации анода - ΔЕа и поляризации катода - ΔEk:
ΔЕ=ΔЕа+ΔEk.
В свою очередь, анодная и катодная поляризации слагаются из электрохимической и концентрационной поляризации.
При малых плотностях тока через ХИТ (что характерно для электростимуляторов ЖКТ) напряжение источника тока есть величина [3. Коровин Н.В. Электрохимические генераторы. - М: Энергия. - 1974. - 208 с.]:
где Sг - геометрическая поверхность электрода; i0,a - ток обмена анода; i0,k - ток обмена катода; b1 a, b1 k - эффективные коэффициенты, которые при 25°С обычно равны 13...26 мВ. Отсюда следует, что чем меньше геометрическая поверхность электродов ГЭ, тем меньше напряжение на его токовыводах (тем меньше энергетическая емкость гальванического элемента [2]).
Задачей настоящего изобретения является увеличение ресурса работы электростимулятора за счет повышения напряжения гальванического элемента.
Поставленная задача достигается тем, что в электростимуляторе желудочно-кишечного тракта, содержащем корпус, образованный в виде капсулы двумя чашеобразными изолированными друг от друга диэлектрической частью стимулирующими электродами, генератор импульсов, соединенный с преобразователем напряжения и выходом - с первым чашеобразным стимулирующим электродом, размещенный в герметичном отсеке корпуса, с источником питания в виде гальванического элемента, и влагоудерживающий материал, гальванический элемент выполнен в виде рулонной конструкции, состоящей из двух фольговых электродов с различными электрохимическими потенциалами, между которыми находится влагоудерживающий материал. На диэлектрической части корпуса сформированы отверстия. При этом фольговые электроды через преобразователь напряжения соединены с генератором импульсов. Один из фольговых электродов гальванического элемента соединен со вторым чашеобразным электродом посредством проводника, при этом данный фольговый электрод, чашеобразные стимулирующие электроды и проводник выполнены из одного материала.
Суть изобретения ниже поясняется описанием примера предлагаемой конструкции электростимулятора со ссылками на чертежи (Фиг.1, 2).
Фиг.1 - электростимулятор желудочно-кишечного тракта в разрезе;
Фиг.2 - поперечный разрез гальванического элемента.
Электростимулятор состоит (фиг.1) из корпуса, содержащего два стимулирующих чашеобразных электрода 1, 2 и диэлектрическую часть 3 с отверстиями 4, которые служат для заполнения части корпуса, внутри которой размещены фольговые электроды 5, 6 гальванического элемента, имеющие разные электрохимические потенциалы и разделенные влагоудерживающим материалом 7, средами желудочно-кишечного тракта, например слюной, желудочным соком или желчью. Фольговые электроды 5, 6 соединены с генератором импульсов 8 через преобразователь напряжения 9. Выход генератора импульсов 8 соединен с первым чашеобразным электродом 1. Электрод 5 ГЭ соединен со вторым чашеобразным электродом 2 посредством проводника 10 (например, точечной сваркой).
На фиг.2 показан поперечный разрез ГЭ рулонной конструкции, где электроды 5 и 6 ГЭ с разными электрохимическими потенциалами и проложенным между ними влагоудерживающим материалом 7 (например, многослойный электротехнический алигнин) свернуты в спираль.
Для электродов гальванического элемента можно использовать алюминиевую фольгу и фольгу из стали 12Х18 Н9.
Экспериментально измеренные значения напряжения для системы A1-12Х18Н9 в 1%-ной соляной кислоте (имитатор желудочного сока) при токе разряда 1 мА (что в десятки раз превышает средний рабочий ток серийных автономных электростимуляторов) составили 0,82...0,98 В.
Работает электростимулятор следующим образом. При попадании электростимулятора в ЖКТ желудочный сок (слюна либо желчь) через отверстия 4 в диэлектрической части корпуса 3 электростимулятора пропитывают влагоудерживающий материал 7. Гальванический элемент начинает работать и на его фольговых электродах 5 и 6 появляется напряжение. Время приведения таких источников тока в состояние рабочей готовности колеблется от 0,1 с до нескольких секунд [2]. Это напряжение поступает на преобразователь напряжения 9, где формируется напряжение, достаточное для работы генератора импульсов 8. Генератор импульсов 8 начинает работать, поставляя на чашеобразные электроды 1, 2 электростимулятора серии стимулирующих импульсов.
При нахождении электростимулятора в желудочно-кишечном тракте токообразующая реакция в кислой среде может быть представлена в виде:
как результат раздельного протекания реакций
на аноде: 
на катоде: 
где Me - металл дополнительного электрода; е - электрон.
Токообразующая реакция в слабощелочной или в нейтральной среде запишется в виде:
как результат ионизации воды на катоде:
и образования гидроокиси металла на аноде:
Гидроокись металла при накоплении в ограниченном объеме нейтральной или слабощелочной среды дегидратируется:
Тогда суммарная реакция (6) в щелочной или нейтральной среде с учетом реакции (9) запишется в виде:
Таким образом, при соответствующем подборе фольговых электродов гальванического элемента токсичных продуктов реакции при его работе не образуется.
Исследования влияния проводимости сред ЖКТ на ЭДС гальванического элемента показали практическое отсутствие зависимости сопротивления желудочного сока от температуры. Падение напряжения на сопротивлении желудочного сока в диапазоне изменения рН от 1 до 5 составляет около 10 мкВ. В то же время при нахождении электростимулятора в желчи не обнаружена зависимость изменения ее сопротивления от рН. В диапазоне изменения температур 309...313 К падение напряжения на сопротивлении желчи составляет порядка 1 мкВ. Из полученных данных следует, что изменения падения напряжения на сопротивлениях сред ЖКТ для практических значений рН и температуры незначительные и ими можно пренебречь при выборе гальванической пары для химического источника тока. В то же время рулонная конструкция гальванического элемента позволяет более чем на порядок увеличить активную площадь электродов ГЭ по сравнению с прототипом и свести к минимуму влияние напряжения поляризации ΔЕ (формула (1)).
Таким образом, предложенная конструкция электростимулятора, содержащая ГЭ рулонной конструкции, позволяет добиться желаемого результата - увеличение ресурса работы электростимулятора за счет повышения напряжения ГЭ, а следовательно, и его энергетической емкости.
Электростимулятор желудочно-кишечного тракта, содержащий корпус, образованный в виде капсулы двумя чашеобразными изолированными друг от друга диэлектрической частью стимулирующими электродами, генератор импульсов, соединенный с преобразователем напряжения и выходом - с первым чашеобразным стимулирующим электродом, размещенный в герметичном отсеке корпуса с источником питания в виде гальванического элемента, и влагоудерживающий материал, отличающийся тем, что гальванический элемент выполнен в виде рулонной конструкции, состоящей из двух фольговых электродов с различными электрохимическими потенциалами, между которыми находится влагоудерживающий материал, на диэлектрической части корпуса сформированы отверстия, при этом фольговые электроды через преобразователь напряжения соединены с генератором импульсов, один из фольговых электродов гальванического элемента соединен со вторым чашеобразным электродом посредством проводника, при этом данный фольговый электрод, чашеобразные стимулирующие электроды и проводник выполнены из одного материала.
