RU2140301C1

RU2140301C1 - Electric stimulator of gastroenteric tract

Info

Publication number: RU2140301C1
Application number: RU96106120A
Authority: RU
Inventors: С.Ф. Глущук
Original assignee: Глущук Сергей Федорович
Priority date: 1996-03-28
Filing date: 1996-03-28
Publication date: 1999-10-27

Abstract

FIELD: medical engineering. SUBSTANCE: electric stimulator has special circuit of closing its electrodes for period of pause between pulses. Duration of stimulating pulses is less than 1 ms. Contact device introduced into stimulator provides for higher reliability of stimulation and harmlessness to organism. EFFECT: absolute electric safety. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области биомедицинской инженерии, а точнее, к электростимулирующим устройствам для диагностики и лечения органов и тканей, а еще точнее к усовершенствованию электростимулятора желудочно-кишечного тракта (ЖКТ). The invention relates to the field of biomedical engineering, and more specifically, to electrical stimulating devices for the diagnosis and treatment of organs and tissues, and more specifically to the improvement of the electrical stimulator of the gastrointestinal tract (GIT).

Одной из проблем, решаемых при конструировании электростимуляторов, является проблема электродов и их взаимодействия с тканями и средами организма. One of the problems solved in the design of electrical stimulants is the problem of electrodes and their interaction with tissues and body fluids.

Известно, что реакция возбудимой клетки на внешний стимул зависит от силы электрического поля [1]. В физиологических экспериментах с использованием внутриклеточных электродов было установлено, что электрический заряд в 10^-11 А.с достаточен для запуска потенциала действия клетки [2]. В настоящее время для стимуляции тканей посредством электродов широко используется заряд величиной 10^-6 А.с [3].It is known that the reaction of an excitable cell to an external stimulus depends on the strength of the electric field [1]. In physiological experiments using intracellular electrodes, it was found that an electric charge of 10 ^-11 A. s is sufficient to trigger the action potential of the cell [2]. Currently, a charge of 10 ^-6 A.s is widely used to stimulate tissues through electrodes [3].

В известных электростимуляторах ЖКТ, например, описанном в [4] и взятом нами за прототип, генератор стимулирующих импульсов подает на электроды импульсы напряжения длительностью 5-7 мс и такой амплитуды, что при работе на активную нагрузку в 100 Ом, в цепи стимулятора течет импульсный ток с амплитудой 8-12 мА. In the well-known gastrointestinal electrostimulators, for example, described in [4] and taken as a prototype, the stimulating pulse generator delivers voltage pulses of 5-7 ms duration and amplitude to the electrodes that, when operating at an active load of 100 Ohms, a pulse flows in the stimulator circuit current with an amplitude of 8-12 mA.

Процессы, протекающие на электродах электростимулятора, определяются электрофизиологическими и электрохимическими условиями на границе раздела фаз электрод-среда, состоящей из поверхности металла и ионов, прилегающих к поверхности металла. Большинство участков решетки на поверхности электрода окружено молекулами воды. Поэтому первый слой, адсорбируемый поверхностью металла - это молекулы воды, второй слой - оболочки гидратированных ионов, аккумулированных на границе раздела фаз. Такая структура известна как двойной электрический слой Гельмгольца. Он соответствует пластинчатому конденсатору, емкость которого определяется расстоянием, разделяющим противоположные заряды, и средней диэлектрической постоянной слоя абсорбированной воды. Емкость слоя Гельмгольца на гладкой поверхности металла составляет 5-50 мкФ/см² [3], а эквивалентная электрическая схема границы раздела электрод-среда может быть представлена в виде параллельного соединения емкости Гельмгольца и омического сопротивления, обусловленного током Фарадея.The processes taking place on the electrodes of the electric stimulator are determined by the electrophysiological and electrochemical conditions at the electrode-medium interface, consisting of the surface of the metal and ions adjacent to the surface of the metal. Most sections of the lattice on the electrode surface are surrounded by water molecules. Therefore, the first layer adsorbed by the metal surface is water molecules, the second layer is the shells of hydrated ions accumulated at the phase boundary. Such a structure is known as the Helmholtz double electric layer. It corresponds to a plate capacitor, the capacity of which is determined by the distance separating opposite charges, and the average dielectric constant of the absorbed water layer. The capacity of the Helmholtz layer on a smooth metal surface is 5-50 μF / cm ² [3], and the equivalent electrical circuit of the electrode-medium interface can be represented as a parallel connection of the Helmholtz capacitance and the ohmic resistance due to the Faraday current.

Поскольку эксперименты показывают [3], что напряжение стимуляции, необходимое для достижения порога сокращения мышечной ткани увеличивается при снижении продолжительности импульса, то возбудимая мышечная ткань также не может апроксимироваться простым омическим сопротивлением, проводимость ткани также может быть представлена в виде параллельного соединения емкостей и активных сопротивлений. Since experiments show [3] that the stimulation voltage required to reach the threshold for muscle contraction increases with decreasing pulse duration, excitable muscle tissue cannot be approximated by simple ohmic resistance, tissue conductivity can also be represented as a parallel connection of capacitances and active resistances .

При подаче напряжения на электроды сначала происходит только перераспределение заряда на электродах, при отсутствии пересечения границы раздела фаз каким бы-то ни было носителем заряда, это истинно емкостный ток, не связанный с какой-либо электрохимической реакцией. When voltage is applied to the electrodes, at first only the charge redistribution occurs on the electrodes, in the absence of any phase carrier crossing the phase boundary, this is a true capacitive current, not associated with any electrochemical reaction.

Непосредственно электрический ток может возникнуть только при прохождении носителей заряда через границу раздела фаз и вступлении их в реакцию с компонентами раствора среды ЖКТ, т.е. при возникновении тока Фарадея, величина которого зависит от потенциала электрода. An electric current can directly occur only when charge carriers pass through the phase boundary and enter into reaction with the components of the gastrointestinal tract solution, i.e. when a Faraday current occurs, the value of which depends on the potential of the electrode.

Исследование работы электростимулятора ЖКТ в реальных условиях и в модельных 1% растворах поваренной соли, соляной кислоты и щелочей, проведенное автором, показало, что в момент подачи на электроды напряжения, протекающий по цепи стимулятора ток максимален, а затем быстро уменьшается по экспоненте с постоянной времени 0,3 - 0,5 мс до определенного уровня и дальше остается практически постоянным до момента снятия напряжения с электродов. Это означает, что до момента достижения постоянной величины ток стимулятора является током заряда емкости, а постоянная величина тока определяется суммарным эквивалентным омическим сопротивлением границы раздела электрод - среда. То есть, начиная с момента достижения током постоянной величины и до конца импульса напряжения, в цепи стимулятора течет ток, физическая природа которого связана с электролизом внутренней среды ЖКТ и химическими изменениями в электродах. В результате протекания в цепи стимулятора такого тока могут возникнуть необратимые перераспределения внутри и внеклеточных ионов, приводящие к изменениям в ткани и, в частности, к повышению порогового уровня стимуляции [3]. The author’s study of the operation of the gastrointestinal tract electrical stimulator in real conditions and in model 1% solutions of sodium chloride, hydrochloric acid and alkali showed that at the moment of supplying the voltage to the electrodes, the current flowing through the stimulator circuit is maximum, and then rapidly decreases exponentially with a time constant 0.3 - 0.5 ms to a certain level and then remains almost constant until the voltage is removed from the electrodes. This means that until the constant value is reached, the stimulator current is the capacitance charge current, and the constant current value is determined by the total equivalent ohmic resistance of the electrode - medium interface. That is, from the moment the current reaches a constant value and until the end of the voltage pulse, a current flows in the stimulator circuit, the physical nature of which is associated with electrolysis of the internal environment of the gastrointestinal tract and chemical changes in the electrodes. As a result of the flow of such a current in the stimulator chain, irreversible redistributions of inside and extracellular ions can occur, leading to changes in the tissue and, in particular, to an increase in the threshold level of stimulation [3].

Химические изменения в электродах, в частности, анодное травление, могут привести к попаданию в кровь пациента токсических продуктов электрохимических реакций материала электрода с внутренней средой ЖКТ. К наиболее токсичным элементам относятся кобальт, хром, никель, ванадий [3], которые могут входить в состав электродов из нержавеющей стали. Анализ электродов использованных стимуляторов с параметрами импульсов по прототипу подтверждает это. Chemical changes in the electrodes, in particular, anodic etching, can cause toxic products of electrochemical reactions of the electrode material to enter the blood of the gastrointestinal tract into the patient’s blood. The most toxic elements include cobalt, chromium, nickel, vanadium [3], which can be part of stainless steel electrodes. Analysis of the electrodes of the used stimulators with pulse parameters of the prototype confirms this.

Для устранения описанных выше недостатков электростимулятора-прототипа автором настоящего изобретения предлагается использовать для стимуляции ЖКТ импульсы длительностью не больше 1 мс при той же амплитуде тока. При такой длительности стимулирующих импульсов, протекающий по тканям заряд достаточен для генерации спонтанной деполяризации клеток ткани ЖКТ и не приводит к описанным выше последствиям, свойственным стимулятору-прототипу. Проведенные автором эксперименты подтверждают это. To eliminate the disadvantages of the prototype electrical stimulator described above, the author of the present invention proposes to use pulses of no more than 1 ms duration for the stimulation of the gastrointestinal tract at the same current amplitude. With such a duration of stimulating pulses, the charge flowing through the tissues is sufficient to generate spontaneous depolarization of the gastrointestinal tissue cells and does not lead to the above-described consequences typical of the prototype stimulator. The experiments conducted by the author confirm this.

Другим недостатком стимулятора-прототипа является недостаточная надежность и эффективность стимуляции. Another disadvantage of the prototype stimulator is the lack of reliability and effectiveness of stimulation.

При прекращении подачи напряжения на электроды емкости эквивалентной схемы стимулятора начинают разряжаться, ток разряда течет в противоположном току заряда направлении. Поскольку в электрической схеме стимулятора-прототипа не предусмотрена специальная цепь разряда, то этот процесс осуществляется очень медленно и к моменту прихода следующего стимулирующего импульса они не успевают разрядиться до конца. В результате каждый следующий стимулирующий импульс по амплитуде оказывается меньше предыдущего, что снижает вероятность и надежность возбуждения им клеток ткани, так как пороговый уровень возбуждения может быть не достигнут. When the voltage supply to the electrodes of the capacitor of the equivalent circuit of the stimulator stops, they begin to discharge, the discharge current flows in the opposite direction to the charge current. Since there is no special discharge circuit in the electrical circuit of the prototype stimulator, this process is very slow and by the time the next stimulus pulse arrives, they do not have time to discharge to the end. As a result, each subsequent stimulating impulse is smaller in amplitude than the previous one, which reduces the probability and reliability of tissue cells excitation by it, since the threshold level of excitation may not be reached.

Для устранения этого недостатка, т.е. для быстрого разряда емкостей, предлагается ввести в электрическую схему стимулятора узел автоматического замыкания его электродов на период паузы между следующими друг за другом импульсами стимуляции. To eliminate this drawback, i.e. for a fast discharge of capacitors, it is proposed to introduce into the electrical circuit of the stimulator a node for automatically closing its electrodes for a period of a pause between successive stimulation pulses.

Введение такого узла делает возможным устранение и еще одного недостатка стимулятора - прототипа - его недостаточной электробезопасности. В соответствии с ГОСТом [5] ток в цепи электростимулятора, находящегося в ЖКТ, при отсутствии импульсов не должен превышать 100 мкА. Однако при выходе из строя выходного каскада генератора импульсов стимулятора к его электродам оказывается приложенным постоянное напряжение от источника питания, и по цепи электростимулятора и через ткань будет протекать ток, значительно превышающий 100 мкА, что может вызвать сильные болевые ощущения и даже привести к электрохимическому ожогу. The introduction of such a node makes it possible to eliminate another drawback of the stimulator - the prototype - its lack of electrical safety. In accordance with GOST [5], the current in the circuit of the electric stimulator located in the digestive tract, in the absence of pulses, should not exceed 100 μA. However, if the output stage of the stimulator pulse generator fails, a constant voltage from the power source appears to be applied to its electrodes, and a current exceeding 100 μA will flow through the electric stimulator circuit and through the tissue, which can cause severe pain and even lead to an electrochemical burn.

Предлагается использовать для электродов металлы, характеризующиеся высоким напряжением поляризации, например, титан и его сплавы. На поверхности таких электродов, в результате анодного окисления, образуются прочные окисные пленки, являющиеся хорошим диэлектриком и увеличивающие эквивалентную емкость границы электрод - ткань. It is proposed to use metals with high polarization voltages, such as titanium and its alloys, for electrodes. On the surface of such electrodes, as a result of anodic oxidation, strong oxide films are formed, which are a good dielectric and increase the equivalent capacitance of the electrode - fabric interface.

При прикладывании к таким электродам постоянного напряжения от источника питания электростимулятора ток в цепи стимулятора не превышает 20-25 мкА. When a constant voltage is applied to such electrodes from the power supply of the electric stimulator, the current in the stimulator circuit does not exceed 20-25 μA.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами. The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 - показана типичная форма импульсов напряжения на электродах и импульсов тока в цепи стимулятора;
на фиг. 2 - эквивалентная электрическая схема стимулятора;
На фиг. 1 показаны:
U - напряжение на электродах стимулятора;
J - ток в цепи стимулятора;
t₁ - момент прекращения подачи напряжения на электроды стимулятора в конце первого импульса;
t₂ - момент подачи на электроды стимулятора второго импульса напряжения;
J₁ - максимальный ток заряда емкости в эквивалентной схеме стимулятора на фиг. 2 первым импульсом;
U₁ - напряжение на обкладках заряженной емкости в эквивалентной схеме стимулятора на фиг. 2;
J₂ - максимальный ток заряда емкости в эквивалентной схеме стимулятора на фиг. 2 вторым стимулирующим импульсом;
J₃ - максимальный ток разряда емкости в эквивалентной схеме стимулятора на фиг. 2;
J₄ - ток в цепи стимулятора, обусловленный суммарным омическим сопротивлением, в эквивалентной схеме стимулятора на фиг. 2;
U₂ - остаточное напряжение на обкладках емкости в эквивалентной схеме стимулятора на фиг. 2 в момент подачи на электроды второго импульса.In FIG. 1 shows a typical form of voltage pulses on electrodes and current pulses in a stimulator circuit;
in FIG. 2 - equivalent electrical circuit of the stimulator;
In FIG. 1 are shown:
U is the voltage at the electrodes of the stimulator;
J is the current in the stimulator circuit;
t ₁ - the moment of termination of the voltage supply to the electrodes of the stimulator at the end of the first pulse;
t ₂ - the moment of supply of the second voltage pulse to the stimulator electrodes;
J ₁ is the maximum capacitance charge current in the equivalent stimulator circuit of FIG. 2 first impulse;
U ₁ is the voltage across the plates of the charged capacitance in the equivalent circuit of the stimulator in FIG. 2;
J ₂ is the maximum charge current of the capacitance in the equivalent circuit of the stimulator in FIG. 2 second stimulating impulse;
J ₃ is the maximum discharge current of the capacitance in the equivalent circuit of the stimulator in FIG. 2;
J ₄ is the current in the stimulator circuit, due to the total ohmic resistance, in the equivalent circuit of the stimulator in FIG. 2;
U ₂ is the residual voltage on the plates of the capacitance in the equivalent circuit of the stimulator in FIG. 2 at the moment of supplying the second pulse to the electrodes.

На фиг. 2 показаны:
1 - источник питания стимулятора;
2 - генератор стимулирующих импульсов;
3 - сопротивление ограничения тока генератора;
4 - сопротивление Фарадея на границе раздела фаз электродов стимулятора;
5 - емкость слоя Гельмгольца на границе раздела фаз электродов электростимулятора;
6 - сопротивление среды и ткани ЖКТ;
7 - эквивалентная емкость ткани ЖКТ;
8 - контактное устройство для автоматического замыкания электродов стимулятора на период паузы между импульсами стимуляции.In FIG. 2 are shown:
1 - stimulator power source;
2 - stimulating pulse generator;
3 - generator current limiting resistance;
4 - Faraday resistance at the phase boundary of the stimulator electrodes;
5 - the capacity of the Helmholtz layer at the phase boundary of the electrostimulator electrodes;
6 - resistance of the environment and tissue of the gastrointestinal tract;
7 - equivalent tissue capacity of the gastrointestinal tract;
8 - contact device for automatically closing the stimulator electrodes for a pause period between stimulation pulses.

Claims

1. An electrical stimulator of the gastrointestinal tract, having a housing in the form of a sealed capsule, consisting of two electrodes isolated from each other, stimulating pulse generator connected to the electrodes, and a power source for it inside the capsule, characterized in that the duration of the pulses generated by the generator, does not exceed one ms.

2. An electrostimulator of the gastrointestinal tract, having a body in the form of a sealed capsule, consisting of two electrodes isolated from each other, stimulating pulse generator connected to the electrodes, and a power source for it inside the capsule, characterized in that the electrodes are electrically connected to each other through a contact device that closes them for a period of a pause between successive pulses.

3. The stimulator of the gastrointestinal tract according to claim 2, characterized in that the electrode material is a metal with a high polarization voltage in the gastrointestinal tract.