Розглянуто питання, пов'язані з проектуванням адаптивних електростимуляторів шлунково-кишкового тракту, їх конструктивні виконання і схемні рішення генераторів стимулюючих імпульсів.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Глущук С. Ф., Пеккер Я. З.


GASTROENTERIC ADAPTIVE ELECTRICAL STIMULATORS

Issues connected with gastroenteric adaptive electrical stimula< tors projecting, their constructive design and simulative impulses gen< erators design are considered.


Область наук:
  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології
  • Рік видавництва: 2005
    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ
    Наукова стаття на тему 'Адаптивні електростимулятори шлунково-кишкового тракту'

    Текст наукової роботи на тему «Адаптивні електростимулятори шлунково-кишкового тракту»

    ?УДК 615.471: 616-7

    АДАПТИВНІ електростимулятором шлунково-кишкового ТРАКТУ

    С.Ф. Глущук, Я.С. Пеккер

    Томський політехнічний університет E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її., Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Розглянуто питання, пов'язані з проектуванням адаптивних електростимуляторів шлунково-кишкового тракту, їх конструктивні виконання і схемні рішення генераторів стимулюючих імпульсів.

    Випускаються промисловістю Росії автономні електростимулятори шлунково-кишкового тракту (ШКТ) використовують принцип стимуляції імпульсами з наперед заданими (деякими усередненими для всього шлунково-кишкового тракту) параметрами.

    Відсутність синхронізації імпульсів електростимулятора з власної м'язової активністю різних відділів шлунково-кишкового тракту викликає асинхронність рухової діяльності останніх і приводить до виникнення неприємних і хворобливих відчуттів у пацієнтів. Локальне тривалий вплив електричними імпульсами (більше 30 хв) на будь-якої відділ кишечника викликає пригнічення його моторної активності і знижує його евакуаторну функцію [1].

    Тому створення адаптивних (індивідуально пристосованих для цього організму) електростимуляторів є актуальним завданням при розробці апаратури такого класу.

    У статті розглянуті питання, пов'язані з конструюванням і схемним побудовою адаптивних автономних електростимуляторів шлунково-кишкового тракту.

    Введення таймера, що дозволяє за заданим алгоритмом міняти значення параметрів стимулюючих імпульсів, не виправдане, тому що часів перебування автономних електростимуляторів в різних відділах шлунково-кишкового тракту варіюються в дуже широких межах [1].

    Токовий поріг збудливості різних відділів шлунково-кишкового тракту також різний. Він значно вище для шлунка, ніж для тонкого кишечника [2]. У той же час, електрична стимуляція вище токового порога збудливості не тільки не підвищує силу скорочення м'язів, а навпаки, знижує її [3].

    Тому адаптивний електростимулятор повинен відповідати, як мінімум, двом вимогам:

    - працювати синхронно зі скороченнями кишечника;

    - не допускати його перестимуляції.

    Виконання першої умови пов'язано зі здатністю технічного елемента - електростимулятора реєструвати електрофізіологічні показники, що характеризують роботу шлунково-кишкового тракту, і використовувати їх для досягнення лікувального впливу.

    Перенесення харчової грудки (отже, і пересування електростимулятора) здійснюється за рахунок пропульсивних перистальтических рухів, що поширюються уздовж травного тракту на зразок хвилі. Зазвичай такий хвилі скорочення передує хвиля розслаблення.

    Додатково на пропульсивную перистальтику накладається непропульсівних перистальтика, що розповсюджується на короткі відстані. Скорочення циркулярних м'язових шарів кишечника відбуваються на ділянках шириною 1 ... 2 см з появою глибоких перетяжок, віддалених один від одного приблизно на 15.20 см [4]. Від перетяжки в дистальному напрямку кишки з'являється градієнт внутрикишечного тиску. На кінці електростимулятора, що примикає до рушійної зоні, тиск буде вище, ніж на його протилежному кінці. Реєстрація цій різниці тисків дозволить судити про знаходження капсули електростимулятора в місці максимального скорочення кишечника і посилювати ці скорочення за допомогою електричних імпульсів від генератора електростимулятора, включається синхронно зі скороченнями кишечника.

    На рис. 1 представлений ескіз електростимулятора шлунково-кишкового тракту з можливістю реєстрації внутрикишечного тиску.

    Електростимулятор містить корпус, утворений двома ізольованими один від одного електродами - 1, 2 і діелектричної втулкою - 3. Електроди - 1, 2 виконані з мембранами - 4, 5. Усередині корпусу встановлено датчики тиску - 6, 7, диференційний підсилювач - 8, генератор стимулюючих імпульсів (ГСИ) - 9 і джерело живлення - 10. Мембрани на електродах - 1, 2 є чутливими елементами датчиків тиску - 6, 7, виходи яких з'єднані з входами диференціального підсилювача - 8, формує сигнал управління генератором стимулюючих імпульсів.

    Працює електростимулятор наступним чином.

    При попаданні капсули в шлунково-кишковий тракт внутрішньопорожнинне тиск кишечника діє на мембрани електростимулятора. Поява разностного сигналу на виході диференціального підсилювача від датчиків тиску, з одного боку, вказує на факт знаходження електростимулятора у місця перетяжки кишечника, а, з іншого боку, цей сигнал, посилений диференціальним підсилювачем, потрапляє на керуючий вхід ГСИ, синхронізуючи роботу останнього з поточної фазою скорочення м'язової тканини кишечника.

    При відсутності скорочення м'язової тканини передбачається режим, коли ГСИ видаватиме на електроди електростимулятора усереднені за параметрами стимулюючі імпульси [5], а

    Технічні науки

    Мал. 1. Адаптивний електростимулятор шлунково-кишкового тракту

    потім, при появі скорочення, автоматично переходити в режим синхронної стимуляції.

    Металеві мембрани при дослідженні моторної функції шлунково-кишкового тракту, коли потрібно вимірювати тиск до 150 см вод. ст., повинні мати товщину 0,04 мм [6]. Виготовляються вони з нержавіючої сталі 12Х18Н10Т методом штампування і мають форму тарельчатой ​​пружини або мініатюрного сильфона. Перевагу слід віддавати формам, що забезпечує максимальну чутливість мембрани. Для мембран можуть бути використані будь-які біоінертні матеріали (гуми, пластмаси, корозійно-ностойкіе метали і сплави). В даному випадку мембрани виготовляються окремо від електродів електростимулятора і з'єднуються з ними за допомогою різьблення, пайки, зварювання, склеювання і т.п.

    Існують роботи, що зв'язують електричний імпеданс тканин шлунково-кишкового тракту з фазою і ступенем скорочення м'язів кишечника. В роботі [7] показано, що струм низької частоти (до 1 кГц) проходить переважно через міжклітинні проміжки, і опір цьому струму буде визначатися їх розмірами. При скороченні міжклітинні проміжки зменшуються - опір зростає. Знаючи характер зміни імпедансу різних відділів шлунково-кишкового тракту, і отримавши електричний сигнал, пропорційний цьому зміни, можна синхронізувати стимулюючі імпульси з роботою м'язів різних відділів шлунково-кишкового тракту.

    На рис. 2 представлена ​​спрощена функціональна схема даного варіанту електростимулятора.

    При попаданні електростимулятора в провідне середовище шлунково-кишкового тракту, включається ГСИ - 1 і блок вимірювання імпедансу - 3 [8]. Відбувається вимір імпедансу тканини шлунково-кишкового тракту в місці знаходження електростимулятора на частоті ГСИ, сигнал від якого на блок вимірювання імпедансу подається через обмежувальний резистор - R (амплітуда вимірювального сигналу, щоб не викликати стимуляцію тканини, більш ніж на 2 порядки нижче амплітуди стимулюючого сигналу). Вимірювальними електродами при цьому виступають електроди електростимулятора. результати вимірювання

    імпедансу надходять на блок формування керуючого імпульсу - 4, який синхронізує роботу генератора з поточної фазою скорочення м'язової тканини кишечника. У блоці формування стимулюючих імпульсів - 2 виробляється серія імпульсів, що надходить на електроди електростимулятора для стимуляції шлунково-кишкового тракту.

    Мал. 2. Функціональна схема електростимулятора: 1) ГСИ; 2) формувач серій стимулюючих імпульсів; 3) блок вимірювання імпедансу; 4) формувач керуючого імпульсу; Н - обмежувальний резистор

    При відсутності скорочень, як і в попередньому випадку, генератор видає на електроди деякі усереднені параметри серій стимулюючих імпульсів, а при появі скорочень автоматично переходить в режим синхронної стимуляції.

    Мал. 3. Функціональна схема електростимулятора: 1) ГСИ; 2) формувач серій стимулюючих імпульсів; 3) блок вимірювання імпедансу; 4) формувач керуючого імпульсу; 5) обмежувач напруги; Н - обмежувальний резистор

    до виходу блоку 1

    до виходу блоку 2

    до виходу блоку 4

    до джерела живлення

    X

    R1 TT

    D1 т

    Г1

    S1

    Q1

    0V

    Dl DO

    RO CT

    QO

    Q3

    і OV

    Qi

    Q2

    до електродів

    Мал. 4. Принципова електрична схема блоку обмеження напруги: Т ~ тригер КР1533ТМ2, СТ ~ лічильник КР1533ІЕ5, Н1 - вхід скидання; С1 - вхід тактовий; D1 - вхід; - вхід установки; D0 - вхід інформаційний; Н-2Н - резистивная матриця; Q0-Q3 - виходи лічильника; 0У, і - висновки по харчуванню; Нб - обмежувальний резистор струму бази транзистора - Т1, що виконує роль електронного ключа

    Для виключення перестимуляції відділів кишечника необхідно ввести в схему генератора стимулюючих імпульсів блок обмеження напруги стимуляції. На рис. 3 представлена ​​функціональна схема генератора для адаптивного електростимулятора з блоком вимірювання імпедансу тканин шлунково-кишкового тракту.

    На виході блоку обмеження напруги формуються серії імпульсів з лінійно зростаючою амплітудою до досягнення порогу збудження голод-комишечной мускулатури кишечника в місці знаходження електростимулятора. Відмінність функціональної схеми для першого варіанту адаптивного електростимулятора в тому, що сигнал на блок - 4 буде подаватися з виходу диференціального підсилювача.

    Розроблена схема блоку обмеження напруги складається з D-тригера, чотирирозрядний

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Попов О.С. Автономна електрична стимуляція шлунково-кишкового тракту в хірургії: Дис. ... канд. мед. наук. -Томск, 1988. - 242 с.

    2. Вишневський АА., Лівшиць А.В., Вилянский М.П. Електростимуляція шлунково-кишкового тракту. - М .: Медицина, 1978. - 184 с.

    3. Гальперін С.І. Фізіологія людини і тварин. - М .: Вища школа, 1970. - 656 с.

    4. Фізіологія людини: в 4 т. - М .: Мир, 1986. - Т. 4. Обмін речовин. Травлення. Виділення. Ендокринна регуляція. - 312 с.

    5. Агафонніков В.Ф., Дамбаев Г.Ц., Пекарський В.В. та ін. Автономний електростимулятор шлунково-кишкового тракту // Електронна промисловість. - 1983. - № 4. - С. 35.

    довічного лічильника, резистивної матриці R-2R [9] і електронного ключа (рис. 4).

    Якщо взяти за основу цифро-аналоговий перетворювач (наприклад, К572ПА2 [9]) замість резистивної матриці R-2R, то принципову схему адаптивного електростимулятора можна виготовити повністю в інтегральному виконанні.

    Представлені електростимулятори відносяться до нового покоління апаратів для автономної адаптивної електричної стимуляції шлунково-кишкового тракту. Електростимулятори характеризуються підвищеним лікувальним ефектом, збільшеним ресурсом роботи і займуть гідне місце в арсеналі простою і надійною апаратури активного терапевтичної дії.

    6. Бабський Є.Б., Сорін А.М., Давидов С.М. Прилади Ендора-діозондірованія: Основи конструювання. Техніка застосування. - М .: Наука, 1975. - 176 с.

    7. Хачатрян А.П. Клініко-патофізіологічні аспекти елек-троімпедансометріі: дис. ... док. мед. наук: 14.00.16, 14.00.27. - Томськ, 1992. - 52 с.

    8. Пат. 2195972 РФ. МПК 7 A61N 1/36. Електростимулятор шлунково-кишкового тракту / Я.С. Пеккер, С.Ф. Глущук. Заявлено 03.01.01; Опубл. 10.01.03. Бюл. № 1 // Відкриття. Винаходи. - 2003. - № 1.

    9. Вениаминов В.Н., Лебедєв О.Н., Мірошниченко А.І. Мікросхеми та їх застосування. - М .: Радио и связь, 1989. - 240 с.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити