устройство для биоэлектрического управления мышцами

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ МЫШЦАМИ, содержащее последовательно соединенные измерительные электроды, блок усиления биопотенциалом, а также пиковый детектор, коммутатор, генераторы звуковой и световой индикации, генератор стимулирующих импульсов и стимулирующие электроды, отличающееся тем, что в него введены временной селектор, последовательно соединенные первый компаратор, аналого-цифровой преобразователь, ключ, цифроаналоговый преобразователь, усилитель, второй компаратор, выход которого соединен с вторым входом аналого-цифрового преобразователя, последовательно соединенные блок оптронной развязки, усилитель-приемник, выход которого соединен с первым входом временного селектора, входом пикового детектора и входом делителя частоты, вход блока оптронной развязки соединен с выходом блока усиления биопотенциалов, парафазный низкочастотный генератор, выходы которого соединены с первой группой входов коммутатора, вторая группа входов которого соединена с выходами делителя частоты, а выход коммутатора соединен с входом генератора стимулирующих сигналов, первый выход которого соединен с вторым входом цифроаналогового преобразователя, а второй выход с пассивным электродом, выход временного селектора соединен с вторым входом ключа, при этом выход цифроаналогового преобразователя соединен с первым входом усилителя через первый потенциометр, а второй вход усилителя и один из выводов потенциометра соединены с шиной нулевого потенциала, другой вывод потенциометра соединен с активным электродом и входами генераторов световой и звуковой индикации, выход пикового детектора через второй потенциометр соединен с вторым входом второго компаратора, причем один из выводов второго потенциометра соединен с шиной нулевого потенциала, выход первого компаратора также соединен с вторым входом временного селектора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине, а именно к неврологии, и предназначено для коррекции функции мышц, формирования нового двигательного стереотипа с использованием биоэлектрического управления.

Для ведения планомерной работы по созданию устройств для биоэлектрического управления мышцами, а также для проведения коммерческих исследований, необходимо иметь точную, надежную и объективную информацию в данной области техники.

Известно устройство для регистрации биопотенциалов при электростимуляции, содержащее последовательно соединенные генератор импульсов, стабилизатор тока и усилитель, индифферентный электрод и микpоэлектрод, соединенный с выходом стабилизатора тока. Для снижения уровня помех от стимулирующих импульсов содержит последовательно соединенные синхронный детектор, вход которого соединен с выходом усилителя, а управляющий вход с выходом генератора импульсов, интегратор, аналоговый усилитель, второй вход которого соединен с выходом генератора импульсов и второй стабилизатор тока, вход которого соединен с индифферентным электродом.

Недостатком известного устройства является то, что в нем низкая эффективность синхронного детектора, который не обеспечивается полного устранения помех от стимулирующего импульса. Кроме того, генератор импульсов не формирует сигнал, вызывающий сокращение мышц, а предназначен для клеточной стимуляции.

Наиболее близким к предлагаемому относится устройство "Сигнал-КД" для коррекции двигательных нарушений у детей с неврологическими заболеваниями, содержащее последовательно соединенные измерительные электроды, блок усиления биопотенциалов, детектор, коммутатор, генератор электрокожной стимуляции, генератор звуковой, генератор световой индикации и стимулирующие электроды (Устройство коррекции двигательных нарушений у детей с неврологическими заболеваниями (шифр "Сигнал-КД") Паспорт СН.00.00.000.ПС). Недостатком известного устройства является невозможность проведения биоуправляемой синхронной электростимуляции пораженных или перемещенных мышц, вырабатываемый генератором сигнал не вызывает сокращения мышц и предназначен для индикации; не обеспечивается устранение большого уровня помех от стимулирующего импульса. Устройство не может быть использовано при значительном снижении БЭА (биоэлектрической активности) пораженных мышц.

Задачей изобретения является создание устройства для биоэлектрического управления мышцами, позволяющего включить в действие центральные механизмы регуляции функций головного мозга.

Техническим результатом изобретения является скорейшая адаптация пораженной мышцы за счет сокращения сроков формирования новой функции особенно после миопластических операций и коррекции функции мышц за счет повышения эффективности биоэлектрического управления мышцами.

Технический результат достигается в результате того, что в устройстве для биоэлектрического управления мышцами выполнен содержащем последовательно соединенные измерительные электроды, блок усиления биопотенциалов, а также пиковый детектор, коммутатор, генераторы звуковой и световой индикации, генератор стимулирующих импульсов и стимулирующие электроды, причем в устройство также дополнительно введены временной селектор, последовательно соединенные первый компаратор, аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преобразователь, усилитель, второй компаратор, выход которого соединен с вторым входом аналого-цифрового преобразователя, последовательно соединенные блок оптронной развязки, усилитель-приемник, выход которого соединен с первым входом временного селектора, входом пикового детектора и входом делителя частоты, вход блока оптронной развязки соединен с выходом блока усиления биопотенциалов, парафазный низкочастотный генератор, выходы которого соединены с первой группой входов коммутатора, вторая группа входов которого соединена с выходами делителя частоты, а выход коммутатора соединен с входом генератора стимулирующих импульсов, первый выход которого соединен со вторым входом цифроаналогового преобразователя, а второй выход с пассивным электродом, выход временного селектора соединен с вторым входом ключа, при этом выход цифроаналогового преобразователя соединен с первым входом усилителя через первый потенциометр, а второй вход усилителя и один из выводов потенциометра соединен с шиной нулевого потенциала, другой вывод потенциометра соединен с активным электродом и входами генераторов световой и звуковой индикации, выход пикового детектора через второй потенциометр соединен с вторым входом компаратора, причем один из выводов второго потенциометра соединен с шиной нулевого потенциала, выход первого компаратора также соединен с вторым входом временного селектора.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для биоэлектрического управления мышцами; на фиг.2 представлены диаграммы работы устройства.

Устройство состоит из измерительных электродов (на схеме не обозначены) блока усиления биопотенциалов А, содержащего усилитель измерительный 1, блок фильтров 2, выходной усилитель 3, блок оптронной развязки 4, усилитель-приемник 5, пиковый детектор 6, делитель частоты 7, парафазный низкочастотный генератор 8, компаратор 9, временной селектор 10, функциональный АЦП-ЦАП (В), состоящий из АЦП 11, ключа 13, потенциометра 16, ЦАП 15, усилителя 17, компаратора 18, потенциометра 19, коммутатора 12, генератор выходных импульсов 14, генератор световой индикации 20, генератор звуковой индикации 21, активный электрод 22, пассивный электрод 23.

Измерительные электроды (на схеме не показаны) подключены к входу блока усилителя биопотенциалов А, включающего в себя последовательно включенные измерительный усилитель 1, блок фильтров 2 и оконечный усилитель 3. К выходу оконечного усилителя 3 подключен блок оптронной развязки 4. Выход блока оптронной развязки 4 подключен к входу усилителя-приемника 5, выход которого соединен с первым входом временного селектора 10 и входом делителя частоты 7 и с входом пикового детектора 6.

Выходы парафазного низкочастотного генератора 8 соединены с первой группой входов (информационных) коммутатора 12, а вторая группа входов (управляющих) коммутатора 12 соединена с выходами делителя частоты 7. Выход коммутатора 12, в свою очередь, соединен с входом генератора стимулирующих импульсов 14, первый выход которого соединен с вторым входом ЦАП 15, а второй выход с пассивным электродом 23.

Выход временного селектора 10 соединен с вторым входом ключа 13, при этом выход ЦАП 15 соединен с первым входом усилителя 17 через первый потенциометр 16. Второй вход усилителя 17, соединенный с потенциометром, и один из выводов потенциометра 16 соединены с шиной нулевого потенциала, а другой вывод потенциометра 16 соединен с активным электродом 22 и входами генераторов световой и звуковой индикации 20 и 21. Выход пикового детектора 6 через второй потенциометр 19 соединен с вторым входом компаратора 18, причем один из выводов второго потенциометра 19 соединен с шиной нулевого потенциала.

Устройство работает следующим образом. После включения прибора по истечении трех минут устройство готового к работе. После подготовки участка кожи в зоне моторной точки здоровой группы мышц накладываются измерительные электроды и проверяется тракт усиления миограммы. Сигнал миограммы с измерительных электродов поступает на вход блока усиления потенциалов А. При этом усиливается измерительным усилителем 1 собранного по известной схеме на трех операционных усилителях, что позволяет ослабить синфазный более чем на 100 дБ. Далее сигнал отфильтровывается в блоке 2 от сетевых и индустриальных помех. Схемы фильтров 2 могут быть собраны по стандартным схемам активных режекторных и полосно-пропускающих фильтров 2. Выходной усилитель 3 усиливает сигнал миограммы до уровня, необходимого для работы оптронной развязки 4. Оптронная развязка 4 может быть собрана по стандартной схеме, например, либо на диодных оптронах (АЛ109), либо на транзисторных оптронах, либо на оптопарах светодиод-фотодиод, например АЛ-107Б, ФД-256. С выхода оптронной развязки 4 сигнал усиливается усилителем-приемником 5, необходимого для работы пикового детектора 6, временного селектора 10 и делителя частоты 7. Пиковый детектор 6 может быть собран по известным схемам. При превышении сигнала выше определенного уровня заданного компаратором 9, что позволяет дополнительно отсечь помехи, сигнал поступает на входы запуска АЦП 11 и временного селектора 10. Временной селектор 10 работает следующим образом. Он может быть собран по известной стандартной схеме. При появлении сигнала миограммы и запуска временного селектора 10 вырабатывается строб-импульс заданной длительности. Если в интервале строб-импульса сигнал миограммы прерывается, то на выходе временного селектора 10 сигнал отсутствует и, соответственно, не поступает на управляющий вход электронного ключа 13. При наличии сигнала миограммы в течение строб-импульса на управляющем входе ключа 13 присутствует сигнал "Логической единицы", при этом с выхода АЦП 15 на информационный сигнал ключа 13 поступает двоичный код, соответствующий уровню сигнала миограммы. С выхода ключа 13, этот код поступает на входы ЦАП 15, который устанавливает определенный уровень сигнала для световой и звуковой индикации.

При наличии световой и звуковой индикации, свидетельствующей о правильной работе измерительного тракта прибора, врач подготавливает участок кожи соответственно пораженной мышце.

Больному на эту область, например, жевательной мышцы, перемещенной к углу рта после миопластики по поводу стойкого паралича мимических мышц, накладывают стимулирующие электроды и предлагают выполнить последовательность движений, при котором максимально сокращаются мышцы.

Работа устройства и прохождение сигнала миограммы по тракту устройства происходит также, как описано выше. Это поясняется временными диаграммами на фиг.2.

Сигнал миограммы с усилителя-приемника 5 поступает на вход делителя частоты 7, на одном из выходов которого формируется сигнал с частотой, равной или кратной частоте миограммы в диапазоне 100-800 Гц, на втором выходе формируется сигнал с частотой кратной частоте миограммы, но с более низкой частотой в диапазоне соответственно 1-100 Гц (фиг.2б,в). Таким образом, за счет деления частоты на выходе делителя частоты 7 формируется два сигнала, существенно разнесенные по частоте. Первый сигнал с частотой, равной или кратной частоте миограммы, условно высокочастотный несет информацию о частоте миограммы здоровых мышц. Второй сигнал (условно низкочастотный) предназначен непосредственно для возбуждения и стимуляции пораженных мышц. Коммутатор 12, на управляющие входы которого подаются сигналы с парафазного низкочастотного генератора В с периодом То (фиг.2г) включает генератор стимулирующих импульсов 14 на работу либо с низкой частотой в течение интервала времени, либо с высокой частотой в течение интервала времени, соответственно (фиг.2д). В соответствии с этим через резистивную матрицу ЦАП 15 на стимулирующие электроды 22 проходит сигнал со структурой, характеризующейся "пачками" импульсов. Первая "пачка" импульсов имеет частоту, например, равную частоте миограммы, вторая пачка импульсов имеет частоту, равную кратную частоте миограммы, но в диапазоне 1-100 Гц.

Уровень сигнала миограммы с выхода пикового детектора 6 отслеживается на средней точке потенциометра 19, компаратором 18 блока функционального АЦП-ЦАП Б. Сигнал пропорциональный сигналу стимуляции отслеживается на потенциометре 16, усилителем 17 блока АЦП-ЦАП Б и с выхода усилителя 17 подается на вход компаратора 18. С выхода компаратора 18 разностный сигнал подается на вход сравнения АЦП 11. Это позволяет получить сигнал стимуляции пораженной мышцы, пропорциональный уровню сигнала миограммы. Таким образом, при максимальном сокращении здоровой мышцы формируется максимальный стимулирующий сигнал воздействия на пораженную мышцу и при минимальном сокращении здоровой мышцы формируется минимальный стимулирующий сигнал. С помощью звуковой и световой индикации реализуется обычная обратная биологическая связь. С помощью описанной выше схемы измерительных электродов, установленных на здоровой мышце и стимулирующих электродов 22, 23, установленных на пораженной мышце, реализуется электронная биотехническая связь с пропорциональным регулированием. Таким образом, больной может активно влиять на уровень сокращения мышцы с пораженной стороны.

Предлагаемое устройство может быть использовано для восстановления мышц лица после хирургических операций, стоматологических операций, миопластических операций. Устройство позволяет осуществить скорейшую адаптацию поврежденных мышц за счет сокращения сроков формирования новой функции и коррекции функции мышц за счет повышения эффективности биоэлектрического управления мышцами.