Имплантируемый программируемый электростимулятор карашурова с.е. для стимуляции органов и тканей организма - RU2243790C2

Чертежи

Описание

Область техники:

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к имплантируемым электростимуляторам, предназначенным для постоянной или периодической стимуляции органов и тканей человека электрическими импульсами.

Предшествующий уровень техники:

Из патента СССР №1627189 А1, опубликованного 15.02.91, известен имплантируемый электростимулятор для стимуляции нервной ткани организма, содержащий передающее устройство и приемное устройство [1]. Передающее устройство включает в себя генератор стимулирующих импульсов, первый дифференцирующий элемент, первый генератор длительности, первый усилитель, коммутатор, индуктор, делитель частоты, второй дифференцирующий элемент, второй генератор длительности и второй усилитель. Приемное устройство состоит из капсулированной катушки связи с проводниками и электродами. Известное устройство имеет следующие недостатки: не способно автоматически подстраиваться к меняющимся потребностям организма, не имеет чувствительных элементов, обеспечивающих взаимосвязь параметров электростимуляции с функциональным состоянием организма, имеет только радиочастотный вид питания, что снижает его надежность, позволяет стимулировать только нервную ткань. Из заявки ЕР 0841074 А2, опубликованной 13.05.1998 [2], известен имплантируемый программируемый электростимулятор, состоящий из программируемого блока выходных импульсов с АЦП (Фиг.3), радиочастотного блока связи 17 с внешним программирующим устройством 18, являющимся также и устройством питания, и систем биосенсоров сердечно-сосудистой и дыхательной систем 7, 8, связанных, как и провод-электрод, с программируемым блоком. Недостатками этого устройства являются отсутствие встроенного в него автономного блока питания, недостаточная чувствительность и эффективность электростимулятора из-за того, что сенсоры показателей сердечно-сосудистой и дыхательной систем расположены не по всей поверхности наружной оболочки электростимулятора и его провода-электрода, а лишь в одном месте.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является повышение надежности и долговечности электростимулятора, повышение его эффективности, обеспечение автоматического задания оптимальных параметров электростимуляции органов и тканей.

Поставленная задача решается посредством того, что имплантируемый программируемый электростимулятор органов и тканей организма, содержащий блок автономного питания, аналого-цифровой преобразователь сигналов от биосенсоров, программируемый блок формирования выходных импульсов, а также провод-электрод для подачи импульсов стимуляции на органы и ткани и биосенсоры, согласно изобретению содержит радиочастотный блок связи с внешним программирующим и питающим электростимулятор устройством, соединенный с программируемым блоком формирования выходных импульсов, биосенсоры функционального состояния дыхательной системы и биосенсоры функционального состояния сердечно-сосудистой системы, присоединенные к аналого-цифровому преобразователю, соединенному с программируемым блоком формирования выходных импульсов, подающим выходные импульсы на присоединенный к нему провод-электрод, причем радиочастотный блок связи, программируемый блок формирования выходных импульсов и аналого-цифровой преобразователь также присоединены к блоку автономного питания. Электростимулятор согласно изобретению имеет наружную оболочку из пористого биоинертного материала, покрывающую корпус и провод-электрод, причем в порах биоинертного материала расположены биосенсоры. Биосенсоры функционального состояния дыхательной системы и биосенсоры функционального состояния сердечно-сосудистой системы расположены на всей поверхности наружной оболочки. Наличие большого числа биосенсоров и расположение их по всей поверхности наружной оболочки электростимулятора обеспечивает более точный контроль состояния дыхательной и сердечно-сосудистой систем, а также возможность автоматической подстройки параметров электростимулятора под потребности организма, за счет чего повышается эффективность электростимулятора.

Электростимулятор согласно изобретению выполнен с возможностью питания как от блока автономного питания, так и от внешнего программирующего и питающего электростимулятор устройства через радиочастотный блок связи.

Использование двух способов питания - от блока автономного питания и от внешнего программирующего и питающего электростимулятор устройства через радиочастотный блок связи, - повышает надежность и долговечность работы электростимулятора.

Электростимулятор согласно изобретению выполнен с возможностью получения необходимых параметров выходных импульсов посредством радиочастотного блока связи от внешнего устройства программирования и питания, программирующего алгоритм формирования выходных импульсов в зависимости от параметров сигналов, полученных от биосенсоров функционального состояния дыхательной системы и биосенсоров функционального состояния сердечно-сосудистой системы, и с возможностью передачи их на провод-электрод.

В электростимуляторе согласно изобретению радиочастотный блок связи имеет с внешним программирующим и питающим электростимулятор устройством два канала связи, один из которых выполнен с возможностью передачи данных для программирования параметров выходных импульсов и режимов работы электростимулятора, передачи энергии для питания электростимулятора и заряда его блока автономного питания, а второй - с возможностью подачи импульсов стимуляции от внешнего программирующего и питающего электростимулятор устройства непосредственно к проводу-электроду при выходе из строя электростимулятора.

В электростимуляторе согласно изобретению радиочастотный блок связи выполнен с возможностью контроля параметров импульсов стимуляции в проводе-электроде с помощью внешнего устройства программирования и питания.

Электростимулятор согласно изобретению выполнен с возможностью его включения и выключения посредством внешнего устройства программирования и питания через радиочастотный блок связи. В электростимуляторе согласно изобретению аналого-цифровой преобразователь имеет два раздельных канала, один - для биосенсоров функционального состояния дыхательной системы, а второй - для биосенсоров функционального состояния сердечно-сосудистой системы.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение поясняется с помощью чертежей, на которых показаны:

Фиг.1 - внешний вид электростимулятора.

Фиг.2 - блок-схема электростимулятора.

Фиг.3 - алгоритм №1 работы электростимулятора.

Фиг.4 - алгоритм №2 работы электростимулятора.

Вариант осуществления изобретения

На Фиг.1 показан внешний вид имплантируемого программируемого электростимулятора. В корпусе 1 размещены основные блоки электростимулятора, К корпусу 1 электростимулятора посредством многоконтактного разъема присоединен провод-электрод 2. Корпус 1 электростимулятора и провод-электрод 2 покрыты наружной оболочкой из пористого биоинертного материала, например, пористого силикона, в порах которого расположены биосенсоры 3а функционального состояния дыхательной системы и биосенсоры 3б функционального состояния сердечно-сосудистой системы. На конце провода-электрода 2 расположены контакты 4, которые подключаются к стимулируемой ткани или органу. Корпус 1 электростимулятора имплантируется подкожно, например, на переднюю поверхность грудной клетки, чаще в подключичной области, или в переднюю брюшную стенку, чаще в подреберьях. Провод-электрод 2 проводится в специально сформированном с помощью хирургического инструмента подкожном туннеле к той области тела, где находится нерв, и подключается к нему посредством контактов 4. Провод-электрод 2 может подключаться и не к нервной ткани.

Биосенсоры 3а, 3б нанесены в поры наружной оболочки электрохимическим путем. Наиболее подходящими биосенсорами 3а, 3б являются углеродные биосенсоры, в которых углеродные частицы покрыты низкодисперсным электропроводным силиконом. Матричные филаменты биосенсоров создаются с помощью специального программного обеспечения. Химическое осаждение паров реагента биосенсоров (кристаллизация) в поры силиконовой оболочки электростимулятора также осуществляется с помощью специального программного обеспечения.

Углеродные биосенсоры являются биоинертными и долговечными [3, 4, 5, 6]. Количество биосенсоров 3а, 3б может колебаться в пределах от 40 до 20000. Биосенсоры 3а функционального состояния дыхательной системы и биосенсоры 3б сердечно-сосудистой системы равномерно распределены по поверхности наружной оболочки корпуса 1 и провода-электрода 2. Биосенсоры 3а функционального состояния дыхательной системы отличаются от биосенсоров 3б функционального состояния сердечно-сосудистой системы своим устройством. В частности, они имеют различную толщину контактных мембран, различную структуру химического реагента, расположенного под мембраной и в ней.

В месте, где имплантирован корпус 1 электростимулятора, над кожей расположено внешнее программирующее и питающее электростимулятор устройство 5.

На Фиг.2 показана блок-схема электростимулятора. Основой электростимулятора является программируемый блок 6 формирования выходных импульсов, выполненный на базе микропроцессора. Этот блок 6 соединен с блоком 7 автономного питания, с радиочастотным блоком 8 связи с внешним программирующим и питающим электростимулятор устройством 5 и с аналого-цифровым преобразователем 9. Аналого-цифровой преобразователь 9 соединен с биосенсорами 3а функционального состояния дыхательной системы и биосенсорами 3б функционального состояния сердечно-сосудистой системы, причем он имеет два раздельных канала, один для биосенсоров 3а функционального состояния дыхательной системы, а второй - для биосенсоров 3б функционального состояния сердечно-сосудистой системы. Радиочастотный блок 8 связи, программируемый блок 6 формирования выходных импульсов и аналого-цифровой преобразователь 9 присоединены к блоку 7 автономного питания. Программируемый блок 6 формирования выходных импульсов через многоконтактный разъем присоединен к проводу-электроду 2 для подачи к контактам 4 провода-электрода 2 импульсов стимулирования.

В соответствии с введенным алгоритмом программируемый блок 6 формирует параметры выходных импульсов в зависимости от сигналов, поступающих от биосенсоров 3а, 3б через аналого-цифровой преобразователь 9. Сигналы от биосенсоров 3а, 3б зависят, в частности, от содержания кислорода, содержания катехоламинов в крови, дыхательных шумов, частоты дыхания, частоты пульса. В аналого-цифровом преобразователе 9 сигналы разделяются на сигналы, характеризующие функциональное состояние сердечно-сосудистой системы, и сигналы, характеризующие функциональное состояние дыхательной системы, по частоте, так как частота пульса значительно больше частоты дыханий. Программируемый блок 6 формирования выходных импульсов программируется таким образом, что при увеличении параметров сигналов от биосенсоров 3а, 3б (обусловленном увеличением, например, частоты пульса и/или частоты дыханий и/или содержания кислорода в тканях и/или содержания катехоламинов в крови и/или появлением шумов в легких), таких, как, например, частота, напряжение, ток, - параметры выходных импульсов, например, такие, как ток, напряжение, длительность импульсов, интервалы между ними, - уменьшаются (Фиг.3), или наоборот, - при увеличении вышеуказанных параметров сигнала от биосенсоров вышеуказанные параметры выходных импульсов увеличиваются (Фиг.4). Программируемый блок 6 программирует параметры выходных импульсов с помощью внешнего программирующего и питающего электростимулятор устройства 5, связанного с ним посредством радиочастотного блока 8 связи.

Программируемый блок 6 формирования выходных импульсов может также получать параметры выходных импульсов посредством радиочастотного блока 8 связи от внешнего программирующего и питающего электростимулятор устройства 5, которое программирует алгоритм формирования выходных импульсов в зависимости от параметров сигналов, полученных от биосенсоров 3а функционального состояния дыхательной системы и биосенсоров 3б функционального состояния сердечно-сосудистой системы, а затем может передавать их на провод-электрод 2.

Питание программируемого блока 6 формирования выходных импульсов, радиочастотного блока 8 связи и аналого-цифрового преобразователя 9 может осуществляться как от блока 7 автономного питания, так и от внешнего программирующего и питающего электростимулятор устройства 5 через радиочастотный блок 8 связи. Радиочастотный блок 8 связи с внешним программирующим и питающим электростимулятор устройством 5 имеет два канала связи. По одному каналу передаются данные в программируемый блок 6 формирования выходных импульсов для программирования параметров выходных импульсов и режимов работы электростимулятора, а также передается энергия для питания электростимулятора и заряда его блока 7 автономного питания. По второму каналу связи импульсы стимуляции от внешнего программирующего и питающего электростимулятор устройства 5 подаются непосредственно к проводу-электроду 2, если электростимулятор вышел из строя. Параметры импульсов стимуляции в проводе-электроде 2 могут также и контролироваться с помощью внешнего программирующего и питающего устройства 5 через радиочастотный блок 8 связи.

Электростимулятор формирует импульсы частотой 0,01-1000 Гц, длительностью 0,01-5,0 мс, амплитудой 0,1-15,0 В, а также пачки импульсов с диапазоном регулирования длительности пачек и интервалов между ними от 0,01 с до 24 часов.

Электростимулятор может включаться и выключаться внешним программирующим и питающим электростимулятор устройством 5 через радиочастотный блок 8 связи.

Электростимулятор работает следующим образом. Возникающие вследствие болезни изменения параметров сердечно-сосудистой и дыхательной систем регистрируются биосенсорами электростимулятора. Далее в соответствии с введенным алгоритмом электростимуляции электростимулятор формирует импульсы тока в проводе-электроде 2, которые поступают к объекту воздействия - ткани, органу, и вызывают посредством изменения их функциональной активности возврат параметров дыхательной и сердечно-сосудистой систем к нормальным величинам.

Библиографические данные

1. Имплантируемый электростимулятор /Патент СССР на изобретение (SU) №1627189 A1, A 61 N 1/36, Публикация 15.02.91. Бюлл. №6.

2. ЕР 0841074, А2, - 13.05.1998.

3. Carbon sensor electrode and process for producing the same /Патент 5503728 США, МПК 6 G 01 N 27/26, С 25 В 11/00 /Kaneko Hineko Hiroko, Negishi Akiro, - Nozaki Ken/Agency of industrial Science and Technology. - N 317816, Заявл. 04.10.94. Опубл. 02.04.96. Приор. 09.09.92 №266 706 (Япония).

4. Use of a catecholamine sensor in the control of an artifical heard system/Mabuchs K., Chinzei Т., Abe Y., Imanishik, isoyame Т., Mat Suura H., Tago Т., KounoA., Ono Т., Imachi K., Fujimasa I., //Int J. Artig. Organs. - 1997. - 20, N1 - P. 337-42.

5. Use of a catecholamine sensor in the control of an artifical heart system /Использование катехоламинового сенсора при контроле системы искусственного сердца/ Mabuchi K., Chinzei Т., Abe Y., Imanishik, Isoyama Т., Mat Suura H., Tago Т., Kauno A., Ono Т., Imachi K., Fujimasa I., //Int J. Artif. Organs.-1997. - 20. - N1.-P.37-42.

6. Carbon felt composite electrodes and their use in electrochemical sensing: a biosensor based on alcohol dehydrogenase /Композитные электроды на основе углеродных материалов и их применение в электрохимических сенсорах: биосенсор на основе алкоголь дегидрогеназ/ Tobalina F., Pariente F., Hernandes L., Abrrana H.D., Lorenzo E. //Anal chim acta. - 1998. -358.-N1.-P.15-25.

Реферат

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к имплантируемым электростимуляторам для постоянной или периодической стимуляции органов и тканей человека. Электростимулятор содержит программируемый блок формирования выходных импульсов с аналого-цифровым преобразователем сигналов, подключенный к радиочастотному блоку связи с внешним программирующим и питающим устройством и связанный с проводом-электродом для подачи импульсов стимуляции на органы и ткани и биосенсорами параметров дыхания и сердечно-сосудистой системы, автономный блок питания. Оболочка электростимулятора выполнена из пористого биоинертного силикона, в порах которого расположены углеродные биосенсоры. Использование изобретения позволяет повысить эффективность стимуляции, долговечность применения и безопасность для больного. 4 ил.

Формула