Кафедра электронной техники и технологии

Кафедра электронной техники и технологии

Осипов А.Н., Бондарик В.М.

Электронный учебно-методический комплекс

по дисциплинам

Электронная лечебная аппаратура

Для студентов специальности

I-39 02 03 Медицинская электроника

Минск 2006

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ. 4

1 КЛАССИФИКАЦИЯ МЕДИЦИНКОЙ АППАРАТУРЫ.. 5

1.1 Классификация электротерапевтической аппаратуры.. 5

1.2 Классификация лечебных физических факторов. 9

1.3 Современные представления о механизмах физиологического и лечебного действия физических факторов. 10

2 АППАРАТУРА ДЛЯ ТЕРАПИИ ПОСТОЯННЫМ И НЧ ТОКОМ.. 16

2.1 Физические обоснования и методики проведения гальванизации и лекарственного электрофореза. 16

2.2 Аппараты для местной гальванизации и лекарственного электрофореза. 22

3 ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯЦИЯ.. 25

3.1 Виды сигналов электростимуляции. 25

3.2. Программно-аппаратная реализация аппаратов электростимуляции. 44

3.3. Аппараты электросна и электроанальгезии. 50

3.4. Электрокардиостимуляторы.. 68

3.5. Электростимуляция внутренних органов и опорно-двигательного аппарата 83

3.6 Многоканальная электростимуляция опорно-двигательного аппарата. 89

4 МАГНИТОТЕРАПЕВТИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ.. 117

4.1. Физические обоснования и методика проведения процедур. 117

4.2. Аппараты для низкочастотной магнитотерапии. 117

4.3 Биотропные параметры магнитных полей. 125

4.4 Влияние естественных электромагнитных полей на живые организмы.. 128

4.5 Механизмы действия магнитных полей на живой организм. 129

4.6 Промышленные магнитотерапевтические аппараты. обзор и анализ требований 131

4.7 Анализ задачи общего воздействия динамическим магнитным полем на человека и формирование требований на технические средства комплексной магнитотерапии 138

4.8. Виды индукторов и создаваемых ими полей. 144

5 СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ТЕРАПИИ С БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ 153

6 ЭЛЕКТРОТЕРАПЕВТИЧЕСКИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ АППАРАТЫ. 164

6.1. Физические обоснования и методики проведения процедур высокочастотной терапии. 164

6.2 Индуктотермия. 176

6.3 Аппараты для дарсонвализации и терапии током надтональной частоты.. 180

7 УВЧ-ТЕРАПИЯ.. 183

7.1 Импульсная УВЧ-терапия. 187

7.2 Транзисторный ВЧ тракт для аппарата УВЧ терапии. 188

7.3 Требования к ВЧ тракту и его структура. 188

7.4 Сумматор мощности. 190

7.5 Общие сведения. 191

7.6 Измеритель мощности для аппаратов УВЧ-терапии. 193

8 УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ТЕРАПЕВТИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА.. 196

8.1 Физические обоснованияи методика проведения процедур ультразвуковой терапии 196

8.2 Аппаратная реализация аппаратов ультразвуковой терапии. 197

8.3 Ультразвуковая терапевтическая техника. 201

8.4 Акустоэлектронные терапевтические аппараты.. 210

9 АППАРАТУРА ДЛЯ ТЕРАПИИ ПОСТОЯННЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ, АЭРОИОНАМИ И ЭЛЕКТРОАЭРОЗОЛЯМИ. 211

9.1 Физические обоснования и методика проведения процедур терапии постоянным электрическим полем и аэроионами. 211

9.2 Аппараты для франклинизации и аэроионотерапии. 214

9.3 Физические обоснования и методики проведения процедур терапии электроаэрозолями. 215

9.4 Аппараты для электроаэрозольтерапии. 217

ВВЕДЕНИЕ

Защита здоровья людей - важнейшая задача, в решении которой значительную роль играет материальное обеспечение системы здравоохранения, в частности, изделиями медицинской техники.

Предлагаемый учебный курс имеет целью ознакомить студентов с принципами работы медицинских электронных аппаратов, их принципиальными и структурными схемами, путями и методами воздействия на организм человека с целью получения лечебного эффекта, а также с основными серийно выпускаемыми типами медицинских приборов и аппаратов, использующими в том или ином виде электрическую энергию и дать краткие физические обоснования и основные сведения о методике проведения соответствующих терапевтических процедур.

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕДИЦИНКОЙ АППАРАТУРЫ

АППАРАТУРА ДЛЯ ТЕРАПИИ ПОСТОЯННЫМ И НЧ ТОКОМ

ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯЦИЯ

Виды сигналов электростимуляции

Обратная афферентация

Рисунок 3.16 – Функциональная система организма с участием боли

Данные реакции можно разделить на несколько характерных групп:

· двигательные реакции, связанные с рефлекторной мышечной активностью, например, реакции «отдергивания»;

· эмоционально-поведенческие и социально-поведенческие, обуславливающие процесс лечения;

· вегетативные, вызывающие, например, расширение сосудов, уси­ление деятельности сердечно-сосудистой и дыхательной систем;

· гематологические, связанные с ускорением свертываемости крови, лейкоцитозом;

· гуморальные, определяемые повышением активности гормонов;

· метаболические, вызывающие изменения обмена веществ.

Таким образом, данная функциональная система, охватывающая практически все основные физиологические процессы, целенаправленно защищает организм как от последствий болевого раздражения, так и от возможных его повторений. Оценка указанных реакций организма на боль позволяет найти физиологические корреляты болевого раздражения, которые имеют информационную значимость при исследовании боли и методов обезболивания.

Раздражители, вызывающие ощущение боли, могут быть различными по своей природе: механическими, химическими, электрическими, термическими. Кроме того, у человека боль может вызываться эмоцио­нальными и психическими факторами. Болевое ощущение в нор­мальных физиологических условиях формируется в результате раздраже­ния сложной афферентной системы, включающей рецепторный аппарат, афферентные волокна, передающие ноцицептивную информацию, спинальные зоны переключения, восходящие пути в структуры ЦНС.

В настоящее время существует несколько теорий рецепции и восприятия боли. Наиболее традиционными являются теории специфичности Фрея и теории неспецифического паттерна Гольдшейдера, предложенные в конце прошлого столетия.Вторая теория придает основное значение при формировании боли простран­ственно-временному соотношению афферентных сигналов в нервных проводниках различного типа. Ни одна из этих теорий до настоящего времени не отвергнута, более того, они продолжают подкрепляться со­ответствующими экспериментальными и клиническими данными, а поэ­тому имеют право на существование.

К рецепторам боли - ноцицепторам - относят низкопороговые и высокопороговые соматические рецепторы и терминали, передающие импульсацию по А-дельта и С-волокнам (по классификации Гассера), которые по механизму реагирования можно разделить на механорецепторы и хеморецепторы. Обработка ноцицептивных сигналов на уровне спинного мозга изучалась в работах Р. Мелзака и П. Уолла, явившихся по сути дела попыткой создать теорию боли, в которой, с одной стороны, учитывалась физиологическая специализация, а с другой - осуществлялся анализ различных по интенсивности импульсных потоков. Теория «воротного контроля» боли Р. Мелзака и П. Уолла предполагает, что нейронный механизм задних рогов спинного мозга (спинальные зоны переключения) осуществляет модуляцию потока импульсации, идущей от периферических волокон в ЦНС. Степень уменьшения или увеличения передачи импульсации определяется соотноше­нием активности волокон, несущих ноцицептивную и сенсорную им­пульсацию, а также влиянием тормозной нисходящей системы из высших структур мозга. Согласно модели «воротного контроля» боли, афферентные волокна проводят импульсацию в желатинозную субстанцию и в передаточные Т-клетки. Модулирующее влияние, оказываемое со стороны желатинозной субстанции на передачу импульсации через Т-клетки, усиливается при возбуждении толстых волокон и уменьшается при возбуждении тонких. Однако «воротная» теория боли не смогла в полной мере объяснить явлений, возникающих при развитии болевых синдромов и их лечении. Недостаток теории по мнению ряда авторов состоит в том, что в ней торможение проведения болевой импульсации объясняется, главным образом, пресинаптическими механизмами на спинальном уровне, а центральному влиянию отводится второстепенная роль.

Открытие в середине 70-х годов эндогенной системы контроля болевой чувствительности, а также выделение эндогенных веществ, выполняющих функции нейромодуляторов болевой импульсации - опиоидных пептидов (эндорфинов и энкефалинов), позволили раскрыть более тонкие механизмы формирования болевой чувствительности у че­ловека. В различных органах и тканях, в первую очередь в ЦНС, в структурах спинного мозга, в кишечнике, печени, предсердиях и др. были обнаружены так называемые опиатные рецепторы, с которыми взаимодействуют эндорфины и энкефалины.

1 +

+

3 4

+

2 +

Рисунок 3.17 - Модель «воротного» контроля боли: 1 - волокна большого диаметра, 2 - волокна малого диаметра, 3 - желатинозная субстанция,4 - Т-клетки, 5 - система центрального контроля, б - система действия

В свете современных представлений формирование болевого ощущения у человека происходит в результате взаимодействия двух антаго­нистически функционирующих систем организма — ноцицептивной и антиноцицептивной. Ноцицептивная система (НС) восходит от ноцицепторов к глубоким структурам мозга. НС содержит в своем со­ставе нейрохимический аппарат генерации специфических и неспеци­фических медиаторов болевой передачи — нейротрансмиттеров (НТ), который, располагаясь по ходу путей, проводящих ноцицепцию, пре­имущественно сосредотачивается в переключающих структурах. Типич­ными НТ являются: ацетилхолин, норадреналин, серотин. В тех же зонах представлены рецепторы антиноцицептивной системы (АНС), тормозящей передачу болевой импульсации за счет генерации нейромодуляторов (НМ) (рис. 3.18).

Рисунок 3.18 – Схема формирования болевого ощущения

Экспериментальные и клинические работы последних лет показали, что болевые ощущения у человека обусловлены изменением динамического соотношения между уровнями НМ и НТ. АНС и НС в процессе продукции НМ и НТ оказываются взаимосвязанными т. к. активация одной из систем приводит не только к усилению ее функциони­рования, но и вызывает торможение другой системы.

При воздействии ноцицептивного раздражителя происходит торможение структур АНС. Активация НС в рамках данных представлений может произойти без воздействий, угрожающих повреждением, например, вследствие угнетения активности АНС. Так, введение блокаторов НМ ведет к развитию гипералгезии, т.е. к уменьшению болевого порога и возникновению спонтанных болевых ощущений. Активация АНС, вызывающая срабатывание эндогенных механизмов антиноцицепции и приводящая к снижению болевой чувствительности, происходит при различных видах воздействия на организм. Этими механизмами могут быть объяснены анальгетические феномены, возникающие при акупунктуре, вибрационной и звуковой стимуляции, при чрескожной электронейростимуляции и стимуляции спинномозговых проводящих путей.

Все вышесказанное позволяет утверждать, что в ответ на болевое раздражение в организме возникает системная реакция, направленная на устранение раздражения и характеризующаяся возбуждением основ­ных физиологических систем. Передача болевого раздражения от ноци­цепторов к структурам ЦНС, ответственным за восприятие боли, про­исходит под контролем двух эндогенных систем организма - НС и АНС, взаимосвязанных при своем функционировании. Модуляция аф­ферентных потоков болевой импульсации возможна путем влияния на активность данных систем. Возбуждение сенсорных структур, связанных с областью болевого раздражения, возникающее при противоболевой электронейростимуляции, активирует АНС и вызывает соответственное изменение уровней НМ и НТ, приводящее к повышению болевого по­рога. Данные механизмы могут быть использованы для объяснения процессов регуляции боли при электронейростимуляции сенсорных структур в ходе периферической электроанальгезии.

3.3.3 Биотехническая система электроанальгезии

Создание новых эффективных аппаратных методов и технических средств для периферической электроанальгезии представляет собой проблему, решение которой требует комплексного подхода и всестороннего учета ее технических, физиологических и клинических аспектов. Созда­ние новой медицинской техники и аппаратных методов лечения должно опираться, с одной стороны, на возможности современных технологий, а с другой - на глубокое понимание явлений, происходящих при вза­имодействии технических средств и живого организма. Изучение такого взаимодействия невозможно без использования системного подхода, в соответствии с которым технические и биологические звенья должны рассматриваться взаимосвязано в рамках единой биотехнической сис­темы (БТС).

Для решения проблемы создания эффективных аппаратных методов и технических средств периферической электроанальгезии ее следует рассмотреть с этих же позиций и разработатьБТС нового типа - био­техническую систему электроанальгезии(БТС ЭА), объединяющую в своем составе биологические и технические звенья, участвующие в про­цессе обезболивания под влиянием электростимуляции.

Работа БТС ЭА строится на основе взаимодействия системы кон­троля болевой чувствительности организма человека, являющейся фи­зиологической частью БТС, и технического компонента системы, в задачи которого должны входить не только формирование лечебного воз­действия, но и оценка состояния физиологических показателей и диагностических признаков для управления параметрами воздействия. При развитии болевого синдрома система контроля болевой чувстви­тельности возбуждается потоком ноцицептивной импульсации из очага боли. Лечебное воздействие в виде стимулирующего электротока, созда­ваемого блоком воздействия, будет формировать поток сенсорной афферентации, поступающий на управляемый вход системы контроля болевой чувствительности. Блок воздействия включает в себя канал согла­сования, содержащий возбуждаемые афференты, участки пассивной передачи тока воздействия, стимулирующие электроды, а также устрой­ство формирования электрического воздействия. Формирование управ­ляющих сигналов, задающих параметры и режимы стимуляции, осущест­вляется на основе оценки физиологических показателей и определения диагностического признака. Реализация целевой функции БТС, заклю­чающаяся в минимизации отклонения диагностического признака от нормы, осуществляется различными способами в зависимости от функ­циональных особенностей использования аппаратуры.

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 со стояние пациента. Для диагностики состояния в этом случае в БТС ЭА необходимо ввести блоки измерения физиологических параметров оценки показателей, дающие врачу информацию об эффективности электроанальгезии. В соответствии с вышеизложенным структурно функциональная схема БТС ЭА приобретает вид, показанный на рис. 3.19. 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 3.19 – Структурная схема биотехнической системы электроанальгезии

ПБЧ – переключение болевой чувствительности, Н – ноцицептор, АНС – антиноцицептивная система, ФС – физиологические системы, КС – канал согласования биотехнической системы, Э – электроды, ПБТ – пассивная биоткань, СА – сенсорные афференты, ТЗ – технические звенья, ЗГ – задающий генератор, ФС* – формирователь стимула, ВУ – выходной усилитель, БУ и БО ­– блок управления и блок оценки, КН – клинические наблюдения, ИФП – измерение физиологических 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 составБТС 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 вНСАНС, определяющих уровень болевой чувствительности в организм 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 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 к 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 болев 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 моделирован 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 переменой состояния, а биосистема в целом - вектором состояния.

В камерных моделях открытых биосистем в качестве входных-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 мете 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 в области «низ­ких» частот порядка десятков-сотен герц. Здесь же достигают 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. 3.20.

Рисунок 3.20 – 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 рассматриваемы 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 эффекте 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. Спектральное представление импульсного стимулирующего тока виде совокупности гармонических составляющих позволяет сформулировать частотно-избирательный подход к формированию тока, основан­ный на определении области адекватных частот составляющих спектра стимула и синтеза воздействующего тока на основе частотно-временного преобразования. Частотный спектр импульса тока прямоугольной формы имеет огибающую с максимумом, расположенным вблизи нулевой частоты. Основная часть энергии спектра сосредоточена в области ограниченной нулевой частотой и частотой первого минимума.

Таким образом, при использовании стимулов миллисекундного диапазона основные спектральные составляющие тока оказываются сосредоточенными в области наиболее низких значений болевого порога. Это ограничивает применение прямоугольных стимулов большой амплитуды для чрескожной противоболевой электронейростимуляции.

Спектр адекватного импульсного воздействия должен быть сосредоточен в той области частот, где электрокожные болевые пороги достаточно высоки, т.е. где активные потери достаточно малы. С этой точки зрения целесообразно увеличение частоты основных компонент стимулирующего тока. Однако с увеличением частоты происходит перерас­пределение тока в тканях, что вызывает уменьшение напряжения на возбудимой структуре.

Области адекватных частот спектральных составляющих стимулиру­ющего тока можно ограничить значениями граничных частот, опреде­ляемых со стороны «низких» частот величиной, на которой происходит допустимое возрастание порога возбудимости нервной структуры.

Тогда спектр адекватного воздействия должен иметь параметры, оп­ределяемые значениями граничных частот:

Df_сп=f_гр2- f_гр1 (3.5)

f_0сп=f_гр1+ 0,5Df_сп (3.6)

где Df_сп - ширина спектра, f_0сп - центральная частота спектра.

По мере уменьшения Df_сп спектр воздействия вырождается в одну гармоническую составляющую, а его вид во временной области пред­ставляет непрерывное синусоидальное колебание. Однако необходи­мость импульсного характера стимулирующего тока, обусловленная об­щими закономерностями возбуждения нервных структур, требует выбора конечной величины Df_сп, не превышающей значения, определенного в соответствии с (3.5). Синтез импульсного сигнала, спектр которого «впи­сывается» в область адекватных частот, требует задания формы огибаю­щей спектра и его параметров.

Спектры сигналов, расположенные симметрично относительно центральной частоты, соответствуют амплитудно-модулированным ко­лебаниям с несущей, равной центральной частоте. Закон изменения амплитуды данного колебания определяется огибающей спектра, явля­ющейся спектральной плотностью модулирующего колебания.

Задача синтеза временного вида сигнала по известной огибающей спектра для случая минимально-фазовых цепей может быть решена с помощью использования преобразования Лапласа.

Так, если для описания модуля огибающей спектра адекватногосиг­нала использовать выражение:

S(w)=A₀w₀[(w₀²-w²+b_c²)²+4b_c²w²] ^–1/2 , (3.7)

где b_c – параметр, описывающий форму огибающей, то временная форма сигнала может быть представлена в виде:

s(t)= A₀exp(-b_ct)sinw₀t , (3.8)

Данное выражение описывает амплитудно-модулированное импульсное колебание с несущей частотой w₀ экспоненциально затухающей амплитудой с постоянной времени затухания равной b_c^-1. По мере расширения спектра длительность стимула уменьшается (рис. 3.18). На рис. 3.18, а (кривые 1) синтезированный сигнал имеет форму радиоим­пульса, где Т₀ — период основной частоты.

Рассмотрение общих закономерностей электронейростимуляции показывает, что воздействующий ток, вызывающий возбуждение нервной структуры, должен быть униполярен. Вместе с тем, требование отсутствия постоянной составляющей в стимулирующем токе с целью исклю­чения электролизных эффектов делает предпочтительным использование биполярного тока. Амплитудно-модулированные импульсные колебания, показанные на рис. 3.18, удовлетворяют данным требованиям. Однако целесообразно перейти к формам стимула, отличающимся от данного вида более крутым фронтом, и использовать вместо заполняющего сти­мул синусоидального колебания короткие униполярные импульсы тока длительностью 1_И с частотой следования, равной частоте несущей, и скважностью, равной 2. Форма огибающей спектра для данного случая показана на рис. 3.18, а (кривые 2). Требование отсутствия по­стоянной составляющей удовлетворяется за счет формирования спада плоской вершины стимула и выброса противоположной полярности в паузе между стимулами, равного по площади стимулу. Частота следования формируемых таким образом пачек коротких униполярных импульсов тока выбирается исходя из диапазона частот естественной сенсорной афферентации в периферических нервах, равной соответственно 100...250 Гц.

Рисунок 3.21 – Огибающие спектра (а) и временные формы стимула (б, в)

Эффективность подавления боли в БТС противоболевой электронейростимуляции может быть повышена путем оптимального выбора зон расположения электродов. Анализ условий достижения обезболивания, рассмотренных выше, показывает, что эффективность стимуляции может быть усилена за счет увеличения числа путей передачи, вызванной стимулами сенсорной афферентации. На практике это может быть осу­ществлено выбором таких зон расположения электродов, при которых охватывается возбуждением максимальное количество афферентов из очага болевого раздражения. Рассмотрение путей соматической иннервации показывает, что при чрескожной передаче стимула целесообразно располагать электроды паравертебрально в проекции задних корешков спинного мозга, иннервирующих область источника боли. Зоны наложения электродов выбираются в соответствии с сегментарной иннервацией кожных покровов и внутренних органов (табл. 3.1). Длину электродов следует выбирать таким образом, чтобы они перекрывали не­ менее 1-2 сегментов выше и ниже показанных в таблице границ.

Хороший эффект дает внутриполостное расположение электродов в непосредственной близости от возбуждаемых нервных структур. При терапии политопных болей целесообразно использование многоканаль­ной стимуляции, при которой отдельные пары электродов располагаются в различных местах, определяемых локализацией очагов болевого раздражения. Так, при двухканальной стимуляции одна пара электродов может располагаться паравертебрально, а вторая — в непосредственной близости от источника болей (операционная рана, место травматичес­кого повреждения тканей и т.п.) или в проекции нервных стволов при их поражении патологическим процессом.

Таблица 3.1 Паравертебральная локализация электродов в зависимости от источника болей.