Дипломная работа: Разработка блока определяющего длительность стимулирующего импульса для аппарата электроанальгезии

Диагностическим признаком в БТС ЭА служит степень выраженности у пациента болевого синдрома, которая проявляется в виде болевых ощущений, а также в виде характерного сдвига физиологических показателей, косвенно связанных с интенсивностью боли.

При возникновении у пациента болевых ощущений управление параметрами электронейростимуляции осуществляется врачом на основе клинического обследования состояния больного, причем включение стимулов и установка выбранного режима воздействия может происходить автоматически по программе, составленной с учетом индивидуальных особенностей проявления болевого синдрома. В определенных случаях, например, при лечении хронических болей, управление параметрами стимулов может осуществляться самим пациентом по инструкции врача. В случаях, когда контакт с пациентом в ходе лечения затруднен или вообще невозможен, например, во время проведения хирургических вмешательств, единственным наблюдаемым проявлением болевого синдрома является изменение физиологических показателей, отражающих состояние пациента. Для диагностики состояния в этом случае в БТС ЭА необходимо ввести блоки измерения физиологических параметров и оценки показателей, дающие врачу информацию об эффективности электроанальгезии. В соответствии с вышеизложенным структурно-функциональная схема БТС ЭА приобретает вид, показанный на рис.1.4. Для БТС ЭА эндогенная регулировка болевой чувствительности осуществляется со стороны двух систем организма: АНС и НС, связанных с зонами переключения болевой чувствительности, находящимися на пути ноцицептивной импульсации от периферии к структурам ЦНС, воспринимающим боль.

Рисунок 1.4 - Структурная схема БТС ЭА:

ПБЧ — переключение болевой чувствительности; Н — ноцицепторы; ФС — физиологические системы; КС — канал согласования БТС; Э — электроды; ПБТ — пассивная биологическая ткань; СА — сенсорные афференты; ТЗ — технические звенья; ЗГ — задающий генератор; ФС — формирователь стимула; ВУ — выходной усилитель; БУ, БО — блоки управления и оценки; КН — клиническое наблюдение; ИФП — измерение физиологических показателей; ОП — оценка показателей; ВП — выработка показаний

Биотехнический контур управления образуется с помощью устройства генерации и формирования стимулирующего тока, воздействующего через электроды и участки тканей, передающие стимул на соответствующие сенсорные структуры. Ядром биологического звена БТС ЭА является зона управления болевой чувствительностью, происходящие процессы в которой за счет электрического воздействия определяют эффективность обезболивания, достигаемого в результате функционирования биотехнического контура управления. Технические звенья, входящие в состав биотехнического контура управления в соответствии с функциональным назначением в БТС ЭА — возбуждением сенсорных афферентов — должны содержать каскады задающего генератора, формирователя стимулов, выходного усилителя тока, а также блок управления параметрами выходного тока стимула. Задающий генератор определяет частоту следования стимулов и синхронизирует работу устройства, в формирователе происходит задание формы стимула и его временных параметров (длительности, фронта, среза, заполнения и т.п.). Выходной усилитель задает необходимую амплитуду тока стимулов и определяет условия согласования с электродами и биологической тканью. Динамическое согласование параметров стимулирующего тока и биологической ткани может быть достигнуто введением блока оценки условий стимуляции, осуществляющего обратную связь канала согласования БТС и блока управления параметрами выходного тока. Блоки измерения физиологических параметров и оценки показателей входят в информационное звено БТС. В качестве измеряемых параметров для оценки выраженности болевого синдрома и степени электроанальгезии могут быть выбраны:

параметры сердечно-сосудистой системы, являющейся надежным индикатором изменения состояния организма — сердечный ритм, гемодинамические показатели, а также показатели внешнего дыхания.

Структурное построение технических звеньев БТС ЭА в определенной степени зависит от области медицинского применения. Аппаратура для индивидуального пользования по инструкции врача должна иметь минимум возможных вариаций ручных регулировок параметров стимула и повышенную безопасность в работе. Для клинического использования блок управления может включать программное устройство долговременного задания параметров. Информационные звенья целесообразно включать в состав БТС в случаях интраоперационного обезболивания, когда контакт с больным отсутствует. Таким образом, предложенная структура БТС ЭА является функционально полной для описания различных вариантов обезболивания путем периферической электронейростимуляции сенсорных структур.

Основным вопросом, определяющим эффективность функционирования БТС ЭА, является выработка критериев формирования стимулирующего воздействия на основе анализа процессов, происходящих в зоне регуляции болевой чувствительности биологического звена под действием управляющего воздействия. Данные критерии определяют алгоритм функционирования БТС, направленный на реализацию ее целевой функции. Анализ структуры БТС ЭА показывает, что существуют два уровня определения искомых критериев. На уровне канала согласования БТС целесообразно определить критерии выбора стимулирующего воздействия, обеспечивающие наибольшую эффективность возбуждения соматических афферентов, а на уровне зоны регуляции болевой чувствительности — критерии эффективной электроанальгезии.

Критерии канала согласования касаются выбора параметров и режимов стимуляции, формы стимулов, обеспечивающих высокую интенсивность импульсации в возбуждаемых нервных структурах. Критерии зоны регуляции определяются на основе анализа процессов в НС и АНС, определяющих уровень болевой чувствительности в организме. При синтезе сигнала воздействия для БТС ЭА необходим совместный учет критериев обоих уровней, в результате чего создаются условия для эффективной электроанальгезии. С точки зрения теории БТС задание подобных критериев является реализацией принципов адекватности и единства информационной среды.

Определение данным путем характеристик и параметров стимулирующего воздействия позволяет провести синтез структуры технического звена, в частности, электронейростимулятора на основе формирования требований к отдельным его блокам, отвечающим конкретной технической реализации. Алгоритмы функционирования технического звена целесообразно определить, исходя из закономерностей изменения как параметров канала согласования БТС, так и динамики процессов, происходящих в зоне управления болевой чувствительностью, что необходимо для обеспечения эффективного функционирования БТС в целом.

Ядром БТС электроанальгезии является зона управления болевой чувствительностью, процессы в которой определяют эффективность обезболивания, достигаемого за счет действия биотехнического контура управления. Процессы, происходящие в зоне управления под влиянием противоболевой электронейростимуляции, зависят от изменения уровней НМ и НТ в структурах АНС и НС и интенсивностей ноцицепции и стимуляции. Это позволяет описать процесс формирования болевой чувствительности в зоне управления методом камерного моделирования, позволяющим рассматривать процессы управления в биосистемах в терминах «вход-выход-состояние».

Под камерой обычно понимается некоторый легко формализуемый элемент биосистемы, с которым связано перемещение или преобразование отдельного ее компонента, имеющего количественную характеристику. Каждая камера биосистемы характеризуется одной переменной состояния, а биосистема в целом — вектором состояния.

В камерных моделях открытых биосистем в качестве входных и выходных переменных используются темпы изменения количества вещества или энергии на входе и выходе биосистемы, а в качестве переменных состояния — их уровни, регулирующие эти темпы. Такие представления отвечают закономерностям важнейших процессов в биосистемах, описываемых с помощью обыкновенных дифференциальных уравнений, определяющих диффузионный и конвективный транспорт вещества, ферментативные реакции, воздействие активных веществ на органы и ткани, нейрогуморальные процессы.

Камерная модель, в отличие от существующих качественных методов описания процессов формирования болевой чувствительности, позволяет установить зависимость между темпами поступления входных переменных, в данном случае — ноцицепции и сенсорной афферентации, и уровнями НТ и НМ, определяющими порог болевого восприятия. Это дает возможность использовать данную модель не только для анализа процессов регуляции болевой чувствительности, но и для определения наиболее эффективных параметров и режимов воздействия на АНС с целью подавления болевых синдромов.

Анализ модели позволяет определить требования к формированию стимулирующего воздействия для эффективного подавления боли. В пределах линейности уравнений модели увеличение амплитуды тока стимула ведет к повышению болевого порога. Эта зависимость хорошо подтверждается клинически, однако в случае чрескожной стимуляции возникновение электрокожных тепловых эффектов, сопровождающихся болевыми ощущениями под электродами, ограничивает увеличение тока. Достижение обезболивания при ограниченных амплитудах тока стимула возможно путем увеличения значения порога болевого раздражения, которое зависит от выбранной формы стимулирующего тока.

Исследование возбудимости нервных волокон различного диаметра, ответственных за проведение различных видов чувствительности показывает, что дифференциация порогов сенсорного и болевого раздражения возрастает с укорочением длительности стимула и увеличением крутизны его фронта. Таким образом, для повышения эффективности противоболевого воздействия необходимо выбирать стимулы с коротким фронтом, длительность которого не превышает единиц процентов от длительности стимула. Уменьшение длительности прямоугольного стимула ограничено величиной времени релаксации тока в тканях, окружающих возбудимую структуру, т. к. при дальнейшем укорочении стимула возрастает величина энергии, рассеиваемой в тканях.

При чрескожной электростимуляции требование уменьшения энергии, рассеиваемой в тканях, усиливается, т. к. из-за падения амплитуды стимула при его передаче к возбудимому звену приходится значительно увеличивать ток, проходящий в ткани. Возникающие при этом чрескожные эффекты в значительной степени зависят от соотношения составляющих, образующих частотный спектр стимула. Сравнение различных форм стимула для чрескожной электронейростимуляции опорно-двигательного аппарата, а также электростимуляции мышц показывает, что уменьшение чрескожных эффектов в зоне расположения электродов при больших токах стимула достигается путем увеличения частоты основных спектральных компонент стимула, а также использования синусоидальных стимулирующих токов с частотой порядка 3...5 кГц. Причем уменьшение частоты сопровождается усилением болезненности под электродами, а значительное увеличение частоты приводит к резкому падению эффективности стимуляции.

Исследование чрескожных эффектов действия тока показывает, что минимальные пороги болевых ощущений наблюдаются и области «низких» частот порядка десятков-сотен герц. Здесь же достш ают максимума термические эффекты, обусловленные потерями стимулирующего тока в тканях. С повышением частоты спектральных компонент стимулов увеличивается шунтирующее действие проводимости межэлектродного промежутка, что обуславливает падение напряжения стимулов на возбудимой структуре. Так, если для модели чрескожного импеданса воспользоваться трехзвенной электрической эквивалентной схемой, то зависимость напряжения стимулов от частоты тока примет вид, показанный на рис. 1.5.

Рис. 1.5 - Частотные зависимости при синусоидальном стимуле:а — модуль напряжения стимула; б — экспериментальные пороги возбуждения;

в — пороги, рассчитанные для модели.

Здесь же показаны зависимости для порогов возбуждения М-ответов срединного нерва для случая чрескожной регистрации при воздействии стимулом, имеющим квазимонохроматический спектр, а также рассчитанная по модели канала воздействия для условий эксперимента.

Сопоставление зависимостей показывает, что для рассматриваемых условий стимуляции в области «верхних» частот, где происходит падение напряжения стимула, порог возбуждения, начиная с частот 10...15 кГц, удваивается и быстро растет. В области «средних» частот, там, где напряжение уменьшается не более, чем в 2 раза, пороги возбуждения оказываются минимальными.

Таким образом, рассмотрение зависимостей чрескожных эффектов действия тока и характеристик возбудимости нервного волокна от частотных компонент воздействующего тока, с точки зрения критерия минимального порогового воздействия и уменьшения ноцицептивных эффектов под электродами, показывает существование области «средних» адекватных частот стимулирующего тока.

2. Схемотехническое обоснование

2.1 Синтез структурной схемы

Формирование адекватной длительности стимулов, при которой достигается минимизация пороговой энергии стимуляции и поддерживание этих условий в процессе длительного воздействия, требует контроля величины времени релаксации тока в зоне расположения электродов и введение управления в формирователь длительности стимулов. Структурная схема, реализующая данный принцип управления длительностью стимула, показана на рис. 2.1. Задающий генератор 1 определяет частоту следования стимулов, длительность которых задается в управляемом формирователе 2, связанном через коммутатор 3 и усилитель 4 с электродами 5, расположенными на участке биологической ткани. Сигнал тактового генератора 6, синхронизированный с импульсами стимуляции, переводит устройство в режим управления. В этом режиме на электроды 5 подается сигнал с формирователя измерительного импульса 7, представляющий собой импульс с прямоугольной огибающей. Возникающее на электродах под действием измерительного импульса экспоненциально возрастающее напряжение поступает на измеритель переходного процесса 8, который формирует временной интервал, соответствующий времени нарастании входного напряжения, т.е. контролируемой величине времени релаксации тока. Для сохранения измеренного значения на весь период управления служит запоминающее устройство 9, сбрасываемое в начале каждого такта управления сигналом тактового генератора 6. Выход запоминающего устройства 9 через устройство управления 10 связан с управляющим входом формирователя длительности стимула 2. Таким образом, длительность стимулов в режиме стимуляции устанавливается в соответствии с измеренным значением времени релаксации тока в тканях в предыдущем периоде управления. Период управления выбирается достаточно большим по сравнению с длительностью измерительного импульса и периода стимуляции. Для отслеживания изменений релаксационных свойств ткани в процессе стимуляции достаточно выбрать период управления равным 2…4 с, а длительность измерительного импульса 1,5…2,0 мс. Достоинством данной схемы является использование одной пары электродов для стимуляции и контроля параметров, что упрощает построение технического звена БТС.

 Рисунок 2.1 - Структурная схема автоматического управления длительностью стимула.

1.  – задающий генератор;

2.  – управляемый формирователь;

3.  – коммутатор;

4.  – усилитель;

5.  – электроды;

6.  – тактовый генератор;

7.  – формирователь измерительного импульса;

8.  – измеритель переходного процесса;

9.  – запоминающее устройство;

10.  – устройство управления.

2.2 Синтез структурной схемы блока определения длительности стимула для устройства электроанальгезии

Блок определения длительности стимулирующего импульса для аппарата электроанальгезии является совокупностью трех блоков устройства для электроанальгезии, которые представлены под цифрами 8 -10 структурной схемы аппарата для ЭА (рис.2.1), упрощенная структурная схема приведена на рис.2.2. Более подробная структурная схема приведена в Приложении А.

Рисунок 2.2 - Структурная схема блока определения длительности стимула для устройства электроанальгезии.

Измеритель переходного процесса представляет собой компаратор напряжения, который сравнивает между собой Uоп и Uизм, которые предварительно проходят через входные усилители. Далее сигнал поступает на запоминающее устройство, которое выполняет роль преобразователя «время – код», после чего код в цифровом виде поступает на устройство управления.

Устройство управления предназначено для формирования кода длительности стимула для задающего генератора и обеспечивает как автоматическую установку длительности стимула, так и ручную.

2.2.1 Запоминающее устройство

Запоминающее устройство, которое представлено в структурной схеме, которая подробно рассмотрена в предыдущем пункте, под номером 9, является ничем иным, как преобразователем «время - код». Рассмотрим более подробно его структуру и принцип работы.

2.2.2 Преобразователь «время - код»

Преобразователь «время – код » (ПВК) широко используется при построении различных автоматических систем радиотехнических, (дальномеры, высотомеры, радиолокация, радионавигация), при автоматизации научных исследований (например, физика плазмы), при построении информационно-справочных систем (например, для обслуживания спортивных соревнований) и т.д. В ряде случаев ПВК используется в качестве промежуточных преобразователей, когда исходная аналоговая величина предварительно преобразуется во временной интервал, а затем временной интервал – в код. Например, при преобразовании напряжения в код, частоты и фазы в код. Наконец, основные идеи построения ПВК используются при проектировании цифровых часов, широко распространенных в настоящее время.

Страницы: 1, 2, 3