Способ нейромышечной электростимуляции и нейромышечный электростимулятор

Способ нейромышечной электростимуляции и нейромышечный электростимулятор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Заявляемая группа изобретений относится к области медицины, в частности к физиотерапевтическим методам и средствам, и может быть использована для создания средств профилактической физиотерапии, в том числе применяемых в домашних условиях.

Известным средством физиотерапевтического воздействия на организм человека является нейромышечная электростимуляция путем воздействия электрическим током с помощью накладываемых на тело электродов [1]. При нейромышечной электростимуляции, (синонимы: электромиостимуляция гальванизация или стимуляция токами низкого напряжения и низкой частоты) на участок тела пациента накладывают электроды, чаще всего - металлические пластинчатые с обращенными к поверхности тела токопроводящими электролитными прокладками, с помощью которых от электрического генератора через стимулируемый участок тела пропускают электрический ток с заданными параметрами.

Известно использование в физиотерапевтической практике так называемых гидроэлектрических однокамерных и двухкамерных ванн [2], которые позволяют осуществлять электростимуляцию отдельных участков тела. Реализуемый в двухкамерных ваннах способ электромиостимуляции является наиболее близким к заявляемому и выбран в качестве его прототипа.

Схемотехнические решения известных электростимуляторов весьма разнообразны. Стационарные приборы имеют большие возможности в части установки и регулировки параметров стимулирующего тока, в том числе известны электростимуляторы с компьютерным управлением [3-9]. Такие приборы используются как средства для осуществления физиотерапевтических процедур в специальных кабинетах под наблюдением врача.

Известны портативные приборы, в основном предназначенные для электромиостимуляции в процессе повседневной деятельности человека с целью снятия болевых ощущений [10] или в качестве средства коррекции его движений [11]. Упомянутый электростимулятор [11] снабжен специальными датчиками, чувствительными к движениям человека и управляющими параметрами стимулирующего тока. Электростимулятор [10], обеспечивающий анальгезирующее действие, также обладает средствами регулировки уровня стимулирующего тока.

Заявляемый электростимулятор также относится к группе портативных приборов и имеет сходные с известными электростимуляторами [10, 11] характеристики управления параметрами стимулирующего тока. Однако, единственным известным заявителю средством для нейромышечной электростимуляции, осуществляемой в водной среде, являются гальванические ванны, описанные в [2]. В связи с этим двухкамерная гальваническая ванна, как наиболее близкое к заявляемому устройству, выбрана прототипом заявляемого нейромышечного электростимулятора.

Способ-прототип [2] заключается в том, что конечности пациента (руки или ноги) погружают в соответствующие две наполненные водой емкости (ванны), в каждой из которых размещено по одному металлическому электроду. Электроды подключены к разноименным выходным полюсам источника стимулирующего тока. После погружения конечностей пациента в указанные емкости с водой включают генератор тока. Стимулирующий ток проходит от одного полюса источника тока к другому по цепи, образованной последовательно включенными: первым электродом, слоем воды в первой емкости, погруженной в воду частью первой конечности пациента, стимулируемым участком тела пациента, погруженной в воду частью второй конечности пациента, слоем воды во второй емкости и вторым электродом. Параметры стимулирующего тока (сила тока, частота, форма импульсов и пр.) устанавливают в зависимости от целей электростимуляции: достижение анальгезирующего эффекта, тетанических сокращений мышц и др.

Однако известный способ электростимуляции, являясь средством лечебной или корригирующей физиотерапии, ориентирован на работу с ограниченными группами мышц конечностей человека и не может быть использован в качестве эффективного средства электростимуляции всех мышечных групп, представленных на поверхности тела человека.

Недостатки устройства-прототипа обусловлены упомянутыми недостатками способа.

Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, является создание способа нейромышечной электростимуляции как электромассажной физиотерапевтической процедуры, осуществляемой человеком в водной среде без посторонней помощи и обеспечивающей возможность воздействия на любые группы мышц, представленные на поверхности тела человека. Заявляемый электростимулятор предназначен для осуществления указанного способа.

Сущность заявляемого способа нейромышечной электростимуляции заключается в том, что на погруженную в воду часть тела человека воздействуют электрическим током через подключенные к источнику тока электроды, разделенные слоем диэлектрика и погруженные в воду в непосредственной близости от стимулируемого участка тела без непосредственного контакта с ним.

При осуществлении способа в указанной совокупности признаков линии электрического тока, протекающего между электродами, замыкаются не только через воду, в которую погружено тело человека, но частично и через его тело. В результате через погруженную в воду часть тела человека проходит электрический ток, который вызывает стимулирующий эффект.

Для управления уровнем стимулирующего воздействия изменяют величину тока, протекающего через погруженную в воду часть тела человека, путем изменения расстояния между поверхностью стимулируемой части тела и электродами и/или углового положения электродов - ориентации относительно поверхности стимулируемой части тела. Это может делать сам человек по собственным ощущениям, что чрезвычайно удобно.

Заявляемый способ может быть реализован в различных модификациях путем формирования различных картин распределения линий тока в толще воды. В зависимости от реализованной модификации могут быть достигнуты различные по своей локальности стимулирующие воздействия: от одновременного воздействия на большую группу мышц до узконаправленного воздействия на определенную мышцу.

Авторами созданы различные конструкции устройств, предназначенных для осуществления заявляемого способа. Эти устройства отличаются друг от друга формой выполнения корпуса и электродов, а также взаимным расположением электродов.

В общем для всех конструктивных разновидностей случае заявляемый нейромышечный электростимулятор содержит генератор стимулирующих импульсов, размещенный внутри герметичного диэлектрического корпуса, на внешней поверхности которого установлены изолированные друг от друга электроды, подключенные к упомянутому генератору.

Электроды могут быть выполнены в виде пластин, в частности плоских, установленных на поверхности корпуса.

Электроды могут быть выполнены в виде колец, охватывающих корпус и размещенных преимущественно в параллельных плоскостях. Наиболее простой формой корпуса при этом будет цилиндрическая. При этом электроды могут быть установлены с возможностью их осевого перемещения, т.е. изменения расстояния между ними, что позволяет регулировать локальность стимулирующего воздействия.

Для достижения еще более локального воздействия стимулирующего тока в корпусе может быть выполнена открытая полость, а электроды установлены в этой полости. В частности, корпус может быть выполнен цилиндрическим, а упомянутая полость выполнена в одном из торцов цилиндра.

В корпусе могут быть выполнены две открытые полости, в каждой из которых установлен один из упомянутых электродов. При этом возможен вариант, когда корпус выполнен цилиндрическим, а обе полости выполнены в одном из торцов цилиндра. Также возможен вариант, когда корпус выполнен цилиндрическим, а упомянутые полости выполнены по одной в обоих торцах цилиндра.

Для обеспечения автоматического включения/выключения стимулятора на внешней поверхности корпуса дополнительно установлен электрод, включенный в цепь управления питанием генератора таким образом, что при погружении электростимулятора в воду замыкается цепь питания генератора.

Для удобства пользования и предотвращения возможного контакта руки с электродами электростимулятор снабжен соответствующей рукояткой.

Также для удобства пользования электростимулятором он может быть выполнен с нулевой или положительной плавучестью.

Сущность заявляемой группы изобретений поясняется графическими материалами, на которых изображено:

фиг.1 - иллюстрация осуществления способа с использованием пары плоских электродов, расположенных параллельно поверхности тела человека;

фиг.2 - то же, при ортогональном расположении плоскостей электродов к поверхности тела человека;

фиг.3 - пример конструкции заявляемого электростимулятора с плоскими электродами;

фиг.4 - пример применения заявляемого электростимулятора для выполнения процедуры нейромышечной электростимуляции в ванне;

фиг.5 - пример электростимулятора с цилиндрическим корпусом и кольцевыми электродами;

фиг.6 - пример электростимулятора с электродами, размещенными в одной полости цилиндрического корпуса;

фиг.7 - пример электростимулятора с электродами, размещенными в разных полостях, выполненных в одном торце цилиндрического корпуса;

фиг.8 - пример электростимулятора с электродами, размещенными в полостях, выполненных в противоположных торцах цилиндрического корпуса;

фиг.9 - пример конструкции электростимулятора с дополнительным электродом;

фиг.10 - пример электрической схемы электростимулятора с цепью управления питанием генератора через дополнительный электрод.

Заявляемый способ (см. фиг.1) осуществляют следующим образом. В воду 1 погружают тело или часть тела человека. Вблизи от поверхности 2 тела (кожи), разделяющей ткани 3 тела и воду 1, размещают пару электродов 4 и 5, разделенных слоем диэлектрика 6, и пропускают через них электрический ток от генератора стимулирующего тока (на фиг.1 не показан). Поскольку электроды 4 и 5 разделены слоем диэлектрика 6, имеющего значение электрической проводимости, близкое к нулю, линии 7 электрического тока, протекающего между электродами 4 и 5, замыкаются через воду 1, электрическая проводимость которой отлична от нуля. При этом часть линий 7 электрического тока замыкается через ткани 3 тела человека, что и вызывает эффект нейромышечной стимуляции. Чем ближе расположены электроды 4 и 5 к поверхности 2 тела, тем большая часть линий 7 электрического тока проходит через ткани 3 тела и, следовательно, тем сильнее эффект нейромышечной стимуляции. Поскольку картина распределения линий 7 тока обладает круговой симметрией относительно нормали к поверхности электродов 4 и 5, такая взаимная ориентация поверхности 2 тела и электродов 4 и 5 соответствует максимальному уровню стимулирующего тока (для принятого расстояния между поверхностью 2 тела и электродами 4 и 5).

Изменение ориентации электродов 4 и 5 по отношению к поверхности 2 тела приводит к тому, что все меньшая часть протекающего через электроды 4 и 5 полного электрического тока замыкается через ткани 3 тела. На фиг.2 показан случай, когда поверхности электродов 4 и 5 ортогональны к поверхности 2 тела. При этом кратчайшее расстояние между поверхностью 2 тела и электродами 4 и 5 определяется минимальным по длине участком периметра электродов 4 и 5. В результате уровень стимулирующего тока достигает своего минимального значения для данного расстояния между поверхностью 2 тела и электродами 4 и 5.

Таким образом, изменяя расстояние между поверхностью 2 тела и электродами 4 и 5 и/или угловое положение - ориентацию электродов 4 и 5 относительно поверхности 2 стимулируемой части тела, можно менять силу протекающего через ткани 3 тела стимулирующего тока, регулируя тем самым уровень стимулирующего воздействия. Эти действия осуществляет сам человек на основании своих ощущений.

Приведенное описание сущности заявляемого способа сделано на примере использования плоских электродов. Аналогичный эффект стимулирующего воздействия на организм человека может быть получен при использовании электродов иной формы, например выполненных в виде цилиндрических колец. Меняя форму электродов, их местоположение относительно друг друга и относительно тела пациента, можно формировать различные картины распределения линий тока в водной среде и в стимулируемом участке тела. При этом сущность заявляемого способа остается такой, как она описана выше на примере использования плоских электродов.

Возможны различные конструктивные решения электростимулятора, предназначенного для осуществления заявляемого способа. В основном различия в конструкциях электростимулятора касаются формы электродов и места установки их на его корпусе и связаны, прежде всего, с формированием определенной конфигурации линий электрического тока, удобством пользования и технологичностью изготовления устройства.

В общем случае (см. фиг.3) заявляемый электростимулятор 8 содержит выполненный из диэлектрического материала герметичный корпус 9, внутри которого размещен генератор 10 стимулирующего тока. Генератор 10 электрически соединен с двумя металлическими электродами 4 и 5, размещенными на внешней поверхности корпуса 9. Использование в данном случае пластинчатых электродов 4 и 5 предопределяет наличие плоских поверхностей корпуса 9 для размещения на них упомянутых электродов 4 и 5. В частном случае они могут быть закреплены на двух противоположных плоских стенках корпуса 9, как показано на фиг.3. Корпус 9 также снабжен рукояткой 11 для удержания электростимулятора 8 в руке самим пациентом (пользователем) во время проведения процедуры стимуляции и предотвращения контакта руки с электродами 4 и 5.

Электростимулятор 8 работает следующим образом. При включении устройства генератор 10 начинает вырабатывать электрический ток установленной величины и формы. При этом ток может иметь любую необходимую форму, в частности, по физиологическим основаниям предпочтительной следует считать последовательность амплитудно-модулированных импульсов. Сформированный генератором 10 электрический ток подводится к электродам 4, 5 и через них поступает в окружающую электростимулятор 8 воду 1 (см. фиг.1). Поскольку корпус 9 стимулятора 8 выполнен из диэлектрика, а проводимость воды 1 отлична от нуля, то окружающая электростимулятор 8 вода 1 является тем проводящим электрический ток участком, через который замыкается цепь электрического тока генератора 10 и на котором выделяется развиваемая генератором 10 электрическая мощность. При расположении электростимулятора 8 вблизи поверхности погруженного в воду тела человека (см. фиг.4) часть линий тока проходит не только через воду, но и через ткани тела (см. фиг.1 и 2). Особенно отчетливо это проявляется при погружении тела в пресную воду, когда электрическая проводимость тканей тела оказывается больше электрической проводимости воды. При этом плотность тока в замыкающихся через ткани тела линиях оказывается достаточной для проявления эффекта мышечного сокращения, т. е. электромиостимуляции. Степень проявления этого эффекта (уровень протекающего через тело электрического тока) человек регулирует самостоятельно, удерживая электростимулятор 8 в руке за рукоятку 11 и удаляя или приближая электростимулятор 8 к поверхности тела, или изменяя ориентацию корпуса 9 по отношению к поверхности тела.

На фиг.5 представлен пример выполнения электростимулятора с цилиндрическим корпусом 12, на поверхности которого установлены кольцевые электроды 13 и 14.

На фиг.6 приведен другой пример конструкции электростимулятора, в корпусе 15 которого со стороны одного из его торцов выполнена полость 16, на внутренней поверхности которой размещены изолированно друг от друга два электрода 17 и 18, например, в виде плоских металлических пластин. Такое выполнение корпуса 15 с полостью 16 и размещение в ней электродов 17 и 18 обеспечивают узконаправленное распределение линий 7 тока и, следовательно, позволяют локализовать зону стимулирующего воздействия. Это может найти применение при использовании стимулятора в лечебных целях. При использовании такого варианта конструкции стимулятора его следует ориентировать таким образом, чтобы полость 16 была направлена в сторону стимулируемого участка.

Аналогичный эффект может быть получен, если в цилиндрическом корпусе 15 (см. фиг.7) со стороны одного из его торцов выполнить две полости 19, 20 и разместить в каждой из них по электроду 21 и 22 соответственно. На фиг.7 приведен пример такой конструкции, в котором полости 19 и 20 представляют собой цилиндрические выемки, на дне которых установлены электроды 21 и 22 в виде плоских круглых пластин. В общем случае форма корпуса 15, полостей 19 и 20, а также установленных в них электродов 21 и 22 не имеет принципиального значения. В приведенном примере показан один из наиболее простых вариантов изготовления устройства.

К числу электростимуляторов, обеспечивающих более локальное (по сравнению с фиг.3) стимулирующее воздействие, относится конструкция, представленная на фиг.8 с цилиндрическим корпусом 15, в котором со стороны обоих его торцов выполнены полости 23 и 24, в каждой из которых установлено по одному электроду 25 и 26 соответственно.

С целью опытной проверки заявляемой группы изобретений были изготовлены различные образцы электростимуляторов (фиг.3, фиг.5-8), испытания которых подтвердили их работоспособность, и результат, достигаемый при осуществлении заявленного способа - эффект нейромышечной электростимуляции.

Один из испытанных образцов представлен на фиг.9. Корпус 9 электростимулятора был выполнен из пластмассы, а на противоположных сторонах корпуса 9 установлены электроды 4 и 5 из нержавеющей стали площадью порядка 80 см² (электрод 5 на фиг.9 не виден, а электрод 4 выполнен состоящим из двух пластин). Генератор 10 стимулирующего тока снабжен схемой автоматического включения при опускании электростимулятора в воду. С этой целью на одной из внешних поверхностей корпуса 9 был выполнен дополнительный пластинчатый электрод 27, связанный с источником 28 питания генератора 10, например через реле 29, как это показано на фиг.10. Когда корпус 9 электростимулятора находится в воздухе, электрический ток между электродом 5 и электродом 27 равен нулю, и контакт 30 реле 29 разомкнут. При опускании электростимулятора в воду между электродами 5 и 27 и, соответственно, через обмотку 31 реле 29 начинает протекать ток. Реле 29 срабатывает, его контакт 30 замыкается и питание от источника 28 подается на генератор 10, который начинает генерировать ток, протекающий между электродами 4 и 5.

Генератор 10 стимулирующего тока выполнен с возможностью формирования амплитудно-модулированной последовательности импульсов длительностью 0,5 мс с периодом следования 10 мс. Частота модуляции регулировалась в пределах 0,3-2 Гц, максимальная амплитуда импульса в режиме холостого хода составляла 30 В, внутреннее сопротивление генератора - порядка 150 Ом.

Испытания образца стимулятора, которые проводились в бассейне с пресной водой на большом количестве пациентов разных возрастов и разного уровня физической подготовки, подтвердили работоспособность заявляемого способа нейромышечной электростимуляции и реализующего этот способ электростимулятора, а также достижение указанного результата. При этом был отмечен весьма высокий физиотерапевтический эффект проводимой в воде нейромышечной электростимуляции. Все пациенты ощущали значительное повышение тонуса подвергнувшихся электростимуляции мышечных групп, а также чрезвычайно положительное психоэмоциональное воздействие процедуры подводного электромассажа.

Таким образом, заявляемая группа изобретений решает поставленную задачу обеспечения возможности использования электростимуляции в качестве электромассажной физиотерапевтической процедуры.

Дополнительным преимуществом заявляемых изобретений следует считать комплексный характер проводимых процедур. Это проявляется в сочетанном воздействии на организм человека эффектов водной процедуры, связанной с погружением всего тела в воду (купания), и нейромышечной электростимуляции. Также важно, что нейромышечная стимуляция может производиться в условиях гидростатической невесомости тела человека, т.е. в условиях практически полностью расслабленных мышц. Это резко повышает физиологическую эффективность стимуляции.

Важными особенностями заявляемых изобретений являются также полное исключение опасности получения человеком термических ожогов кожи, которая обычно сопровождает традиционную электростимуляцию с использованием накладных электродов, и опасности передозировки электростимулирующих воздействий, что обеспечивается эффективной обратной связью за счет саморегулирования человеком уровня стимулирующего воздействия на основе своих ощущений.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Электростимуляция - новые возможности / М.Ю. Герасименко, Е.Ф. Филатова, Н.Н. Лазаренко //Конференция "Биомедприбор - 2000".

2. Справочник по физиотерапии. - М., 1976, с. 54-55 (прототип способа).

3. Патент США №5922012, кл. А 61 N 1/04, А 61 N 1/32, 13.07.99.

4. Патент США №5961542, кл. А 61 N 1/36, 05.10.99.

5. Патент США №5974342, кл. А 61 N 1/36, 26.10.99.

6. А.с. СССР №1678388, кл. А 61 N 1/36, 23.09.91, бюл.№35.

7. Патент РФ №2062125, А 61 N 1/36, 20.06.96, бюл.№17.

8. Патент РФ №2121380, A 61 N 1/36, 10.11.98, бюл.№31.

9. Патент РФ №2128529, A 61 N 1/36, 10.04.99, бюл.№10.

10. Заявка ЕПВ №0377057, A 61 N 1/34, 11.07.90.

11. Метод и устройство программируемой электростимуляции мышц при патологической ходьбе /А.С.Витензон, А.М.Буровой //Конференция "Биомедприбор - 2000" (прототип электростимулятора).

1. Нейромышечный электростимулятор, содержащий генератор стимулирующих импульсов, размещенный внутри герметичного диэлектрического корпуса, который выполнен с возможностью удержания в руке и на внешней поверхности которого установлены подключенные к генератору стимулирующих импульсов изолированные друг от друга электроды, отличающийся тем, что диэлектрический корпус выполнен цилиндрическим, а электроды выполнены в виде охватывающих корпус колец, размещенных преимущественно в параллельных плоскостях.

2. Электростимулятор по п.1, отличающийся тем, что электроды установлены с возможностью их осевого перемещения.

3. Электростимулятор по п.1, отличающийся тем, что на внешней поверхности корпуса установлен дополнительный электрод, включенный в цепь питания генератора стимулирующих импульсов через схему автоматического включения при опускании электростимулятора в воду.

4. Электростимулятор по п.1, отличающийся тем, что имеет нулевую или положительную плавучесть.

5. Нейромышечный электростимулятор, содержащий генератор стимулирующих импульсов, размещенный внутри герметичного диэлектрического корпуса, который выполнен с возможностью удержания в руке, и подключенные к генератору стимулирующих импульсов изолированные друг от друга электроды, отличающийся тем, что электроды установлены, по меньшей мере, в одной полости корпуса.

6. Электростимулятор по п.5, отличающийся тем, что на внешней поверхности корпуса установлен дополнительный электрод, включенный в цепь питания генератора стимулирующих импульсов через схему автоматического включения при опускании электростимулятора в воду.

7. Электростимулятор по п.5, отличающийся тем, что корпус выполнен цилиндрическим и полость выполнена, по меньшей мере, в одном из торцов цилиндрического корпуса.

8. Электростимулятор по п.7, отличающийся тем, что в цилиндрическом корпусе выполнены две полости для установки в каждой соответствующего электрода.

9. Электростимулятор по п.8, отличающийся тем, что обе полости выполнены в одном из торцов цилиндрического корпуса.

10. Электростимулятор по п.8, отличающийся тем, что полости выполнены по одной в обоих торцах цилиндрического корпуса.

11. Электростимулятор по п.5, отличающийся тем, что имеет нулевую или положительную плавучесть.