Исследование чрескожных эффектов действия тока показывает, что минимальные пороги болевых ощущений наблюдаются и области «низких» частот порядка десятков-сотен герц. Здесь же достш ают 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. 1.5.

Рис. 1.5 - 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 рассматриваемых 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 эффектов 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.

2. Схемотехническое обоснование

2.1 Синтез структурной схемы

Формирование адекватной длительности стимулов, при которой достигается минимизация пороговой энергии стимуляции и поддерживание этих условий в процессе длительного воздействия, требует контроля величины времени релаксации тока в зоне расположения электродов и введение управления в формирователь длительности стимулов. Структурная схема, реализующая данный принцип управления длительностью стимула, показана на рис. 2.1. Задающий генератор 1 определяет частоту следования стимулов, длительность которых задается в управляемом формирователе 2, связанном через коммутатор 3 и усилитель 4 с электродами 5, расположенными на участке биологической ткани. Сигнал тактового генератора 6, синхронизированный с импульсами стимуляции, переводит устройство в режим управления. В этом режиме на электроды 5 подается сигнал с формирователя измерительного импульса 7, представляющий собой импульс с прямоугольной огибающей. Возникающее на электродах под действием измерительного импульса экспоненциально возрастающее напряжение поступает на измеритель переходного процесса 8, который формирует временной интервал, соответствующий времени нарастании входного напряжения, т.е. контролируемой величине времени релаксации тока. Для сохранения измеренного значения на весь период управления служит запоминающее устройство 9, сбрасываемое в начале каждого такта управления сигналом тактового генератора 6. Выход запоминающего устройства 9 через устройство управления 10 связан с управляющим входом формирователя длительности стимула 2. Таким образом, длительность стимулов в режиме стимуляции устанавливается в соответствии с измеренным значением времени релаксации тока в тканях в предыдущем периоде управления. Период управления выбирается достаточно большим по сравнению с длительностью измерительного импульса и периода стимуляции. Для отслеживания изменений релаксационных свойств ткани в процессе стимуляции достаточно выбрать период управления равным 2…4 с, а длительность измерительного импульса 1,5…2,0 мс. Достоинством данной схемы является использование одной пары электродов для стимуляции и контроля параметров, что упрощает построение технического звена БТС.

1

2

4

3

6

7

10

9

8

5

Рисунок 2.1 - Структурная схема автоматического управления длительностью стимула.

1. – задающий генератор;

2. – управляемый формирователь;

3. – коммутатор;

4. – усилитель;

5. – электроды;

6. – тактовый генератор;

7. – формирователь измерительного импульса;

8. – измеритель переходного процесса;

9. – запоминающее устройство;

10. – устройство управления.

2.2 Синтез структурной схемы блока определения длительности стимула для устройства электроанальгезии

Блок определения длительности стимулирующего импульса для аппарата электроанальгезии является совокупностью трех блоков устройства для электроанальгезии, которые представлены под цифрами 8 -10 структурной схемы аппарата для ЭА (рис.2.1), упрощенная структурная схема приведена на рис.2.2. Более подробная структурная схема приведена в Приложении А.

Рисунок 2.2 - Структурная схема блока определения длительности стимула для устройства электроанальгезии.

Измеритель переходного процесса представляет собой компаратор напряжения, который сравнивает между собой U_оп и U_изм, которые предварительно проходят через входные усилители. Далее сигнал поступает на запоминающее устройство, которое выполняет роль преобразователя «время – код», после чего код в цифровом виде поступает на устройство управления.

Устройство управления предназначено для формирования кода длительности стимула для задающего генератора и обеспечивает как автоматическую установку длительности стимула, так и ручную.

2.2.1 Запоминающее устройство

Запоминающее устройство, которое представлено в структурной схеме, которая подробно рассмотрена в предыдущем пункте, под номером 9, является ничем иным, как преобразователем «время - код». Рассмотрим более подробно его структуру и принцип работы.

2.2.2 Преобразователь «время - код»

Преобразователь «время – код » (ПВК) широко используется при построении различных автоматических систем радиотехнических, (дальномеры, высотомеры, радиолокация, радионавигация), при автоматизации научных исследований (например, физика плазмы), при построении информационно-справочных систем (например, для обслуживания спортивных соревнований) и т.д. В ряде случаев ПВК используется в качестве промежуточных преобразователей, когда исходная аналоговая величина предварительно преобразуется во временной интервал, а затем временной интервал – в код. Например, при преобразовании напряжения в код, частоты и фазы в код. Наконец, основные идеи построения ПВК используются при проектировании цифровых часов, широко распространенных в настоящее время.

Метод электронного нониуса показан на рис.2.3. Схема работает следующим образом. В исходном состоянии триггеры T1 и T2, а также первый и второй счетчики установлены в нуль. По сигналу старт – импульса начинается измерение временного интервала классическим методом. По сигналу стоп – импульса в момент времени t₁ в первом счетчике формируется число N, триггер T2 устанавливается в единицу и запускает ГИ₂ с ударным возбуждением (рис.2.3.б), первый импульс которого совпадает со стоп – импульсом. Импульсы с периодом ₂ от ГИ₂ начинают поступать на второй счетчик и на второй вход схемы И₂ , на первый вход которой приходят импульсы от ГИ₁. В момент времени t₂ импульсы ГИ₁ и ГИ₂ совпадают, а импульсы с выхода И₂ устанавливают в нуль триггер T2, который сорвет колебания ГИ₂ и тем самым прекратит поступление его импульсов во второй счетчик. В счетчике 2 зафиксируется поправка N, пропорциональная погрешность t₂. Докажем справедливость последнего утверждения. Пусть требуется на основании уравнения

= /m

уменьшить максимальную погрешность t₂ и значений . Тогда необходимо так выбрать ₁ и ₂, чтобы = ₁ - ₂. Из рис.2.3.б следует, что t₂ = p₁ - p₂ = p, где p – число периодов ₁ и ₂, по прохождении которых произошло совпадение на схеме И₂ импульсов ГИ₁ и ГИ₂. При правильной работе схемы pm. Однако в счетчике 2 фиксируется не число интервалов p, а число импульсов l, прошедших в него и которых оказывается на единицу больше, чем число интервалов p. Следовательно, p = l – 1, а t₂ = p = / l – 1/ = N. Следовательно, соотношение для подсчета значения временного интервала T_x с учетом уменьшения погрешности t₂ , при допущении, что t₁ = 0, на основании уравнения

T_X = T_X - t₁ + t₂

выглядит так:

T_X = ₁ N + SN.

Обычно величина m = 10…100.

Увеличение m в схеме электронного нониуса приводит к более жестким требованиям стабильности частоты генератора с ударным возбуждением ГИ₂ и стабильности длительности импульсов ₁ и ₂, так как в противном случае при p m, что приведет к неверной оценки погрешности t₂.

ГИ1

₁

+1 CT2 1

2

C1 .

.

.

R 1 2ⁿ 2ⁿ

S T₁

R