Разработка аппарата для трансдермальной электрофармстимуляции

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

РЕФЕРАТ

Дипломный проект.

Пояснительная записка: 99 с., 18 рис., 6 табл., 31 источник.

Графическая документация: 6 листов формата А1.

ЭЛЕКТРОФАРМСТИМУЛЯЦИЯ, БИПОЛЯРНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ТОК, ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯТОР, ВЫХОДНОЙ КАСКАД, ФИЗИОТЕРАПИЯ

Целью дипломного проекта является разработка аппарата для трансдермальной электрофармстимуляции. Прибор оказывает противоболевой и терапевтический эффект путем введения лекарственных веществ с помощью биполярных импульсных токов. Прибор позволяет индивидуально подбирать параметры импульсов. Предусмотрен постоянный контроль за состоянием мышцы при стимуляции благодаря наличию биологической обратной связи.

В результате проведенной работы составлены структурная и принципиальная схемы стимулятора, произведен расчёт элементов принципиальной электрической схемы, выбор элементной базы, расчёт надёжности прибора. Разработан чертеж общего вида электростимулятора. Проведено моделирование выходного каскада в программном пакете OrCAD 10.5. Приведены расчётные формулы, алгоритм работы электростимулятора и перечень элементов.

Освещены вопросы метрологии и безопасности при эксплуатации установки и проведено технико-экономическое обоснование разработки прибора.

ВВЕДЕНИЕ

электростимулятор выходной каскад программный

В ХХI веке отмечается стремительный рост числа заболеваний опорно-двигательной системы, превративший их в «болезнь века». Сегодня только в США ежегодно делают 500000 операций по протезированию суставов. В наши дни проблемы с суставами имеет каждый четвертый человек в возрасте 30 лет, а после 55 лет артрозы и артриты - развиваются у 90% людей [8]. В настоящее время, боль в нижней части спины достигает масштабов эпидемии, поскольку ее испытывают почти 80% людей в какой-либо из периодов своей жизни. По данным бюро медицинской статистики Минздрава РФ, среди заболеваний периферической нервной системы на долю остеохондроза пояснично-крестцового отдела позвоночника приходится 74%. Частота вертеброгенных болей достигает своего пика в возрасте от 30 до 45 лет, нанося большой экономический ущерб за счет временной потери трудоспособности и раннего наступления инвалидности [24].

Консервативное лечение заболеваний ОДС включает медикаментозную терапию, использование физических факторов, средств ЛФК, мануальную терапию.

По данным института ревматологии РАМН, около 400 млн. человек на земном шаре ежегодно постоянно принимают нестероидные противовоспалительные препараты (НПВП). Длительный прием этих медикаментов приводит к возникновению гастро-энтеропатии, внутренним кровотечениям с последующим развитием железодефицитной анемии и гипоальбуминемии.

Пожилые люди с патологией опорно-двигательной системы страдают хроническими заболеваниями сердечно-сосудистой системы, которые требуют приема непрямых антикоагулянтов, что несовместимо с приемом НПВП.

Снизить риск возникновения побочных проявлений в комплексном лечении заболеваний опорно-двигательной системы помогают физиотерапевтические процедуры. Частые обострения, ограничение двигательной активности, выраженный болевой синдром требуют возможности использования физиотерапии и в домашних условиях [1].

Особый интерес представляет использование в физиотерапии физико-фармакологических методов (электрофорез, ультрафонофорез, магнитофорез, лазерофорез и др.), в которых сочетанное воздействие и лекарственного вещества и самого физического фактора усиливает терапевтический эффект. В связи с этим большое значение уделяется разработке новых безопасных путей и средств доставки лекарств в организм. А создание новых эффективных физиотерапевтических способов лечения заболеваний опорно-двигательной системы при помощи портативных аппаратов, значительно снижающих лекарственную нагрузку на организм, является актуальной задачей современной медицины.

В настоящем дипломном проекте разрабатывается прибор для трансдермальной электрофармстимуляции. Прибор оказывает противоболевой и терапевтический эффект путем введения лекарственных веществ с помощью биполярных импульсных токов. Прибор позволяет индивидуально подбирать параметры импульсов. Предусмотрен постоянный контроль за состоянием мышцы при стимуляции благодаря наличию биологической обратной связи.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ЛЕЧЕНИЯ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА ЧЕРЕЗ КОЖУ

1.1Роль кожи в диагностике и лечении организма человека

Диагностика и лечение через кожу

Большинство физиотерапевтических процедур проводится через кожу, которая является уникальным источником информации о состоянии человека.

Первым медицинским прибором был измеритель температуры. Затрачено много времени и сил для того, чтобы установить наиболее информативные места расположения термометра на коже человека. Вспомним, как начинается обследование больного. Врач берет руку больного у запястья и оценивает температуру, влажность кожи на руке, а затем прощупывает пульс. Внешним осмотром тела больного, а, следовательно, и его кожи можно сделать заключение о мучающем человека недуге. Осмотром кожи человека врач оценивает степень и глубину ожога. Локальное измерение температуры кожи дает представление о характере воспалительных процессов в организме. Но наиболее важная информация о состоянии человека может быть получена оценкой электрофизических характеристик кожи. Поэтому целесообразно привести хотя бы краткие сведения о коже.

Кожа, осуществляющая столь сложную связь в системе среда - человек, представляет собой трехкомпонентную структуру, образованную эпидермисом, дермой и подкожной жировой клетчаткой, которые находятся в функциональном единстве. Самым тонким слоем является эпидермис. Несмотря на незначительные размеры, он обладает наиболее ответственными функциями -- защитной функцией и функцией информации о состоянии органов и тканей. Информация необходима для саморегуляции ряда биофизических процессов в организме, прежде всего тепловых и биоэлектрохимических.

Существование человека, его эволюционное развитие невозможны без непрерывного взаимодействия с внешней средой. Энергия любого из внешних факторов так или иначе преобразуется в электрическую, которая, взаимодействуя с электричеством человека, и обусловливает реакцию человека на действие внешнего фактора.

Преобразование энергии взаимодействующих факторов в электрическую подчиняется определенной передаточной функции. Основные процессы преобразования, описываемые передаточной функцией, происходят через кожу. Кожа является источником информации о состоянии органов и тканей человека и в то же время -- первозащитной оболочкой человека от вредного действия среды.

Электрофизические свойства кожи давно используются в качестве информатора о состоянии органов и тканей. Гениально предвидел роль кожи в регуляторной системе человека И. П. Павлов. В 1928 г. он обратился к автору данной книги и инженеру М. А. Варзанову (впоследствии руководителю крупнейшего научно-исследовательского института) с просьбой создать диагностический прибор, оценивающий состояние человека и деятельность его отдельных систем по изменению значения электрического сопротивления между двумя электродами, наложенными на тело человека. Предвидя огромное значение электрофизических методов диагностики, И. П. Павлов потребовал обеспечить максимально возможную простоту эксплуатации, надежность и большой ресурс прибора [9].

Впоследствии этот метод оценки состояния человека получил название реографического [11]. Реография основана на оценке изменения значения полного электрического сопротивления между двумя электродами, расположенными на теле больного. С помощью реографии можно оценить функцию внешнего дыхания, представить работу системы периферического кровообращения и дать ряд других диагностических оценок.

Наибольшую роль в диагностике и лечении играет эпидермис. Он представляет собой пограничную ткань с многообразными сложными барьерно-информативными функциями. Одна из основных функций эпидермиса -- защита от проникновения в организм чужеродных, не свойственных ему микробов, аэрозольной пыли. Он способствует защите тканей и органов от проникновения ультрафиолетового и коротковолнового рентгеновского излучения и т.д. Своими поровыми железами эпидермис регулирует водный обмен и участвует в стабилизации теплового обмена. Структурные особенности эпидермиса обеспечивают ему высокую упругость, эластичность. Он имеет большую механическую прочность, что позволяет ему выдерживать большие механические нагрузки в виде ударов, трения и растяжения. Обладая высокими регенерирующими свойствами, эпидермис способен к быстрому восстановлению при различного рода повреждениях. Благодаря удивительным и многообразным видам электрической проводимости он имеет исключительно высокую рецепторную защитную способность.

В первой отечественной монографии, посвященной эпидермису, И. Н. Михайлов, ее автор, убедительно показывает топографическую связь отдельных участков эпидермиса со всеми органами человека. Основой этого утверждения являются убедительные результаты физиологических исследований и установление эмпирических закономерностей. В эпидермисе находятся акупунктурные зоны -- точки и участки кожи, обладающие отличными от основного состава эпидермиса видами проводимости. Через акупунктурные зоны (точки) в основном и осуществляется связь эпидермиса с внутренними органами. Возникновение электрической цепи через область эпидермиса в акпунктурных зонах может привести к смертельному исходу даже при очень маленьком напряжении. В то же время эти зоны широко используются в игло- и электротерапии для лечения заболеваний, прямо или косвенно связанных с центральной нервной системой, а также с жизненно определяющими подсистемами человека [17].

Накопление фактического материала по результатам исследований эпидермиса значительно опережает биофизическое обобщение. Но даже в этих условиях открываются исключительные возможности для использования свойств кожи, в частности ее электрофизических характеристик, для диагностики заболеваний и их терапии. Так, изменение поверхностного и полного электрического сопротивления кожи имеет бесспорное диагностическое значение. В терапевтическом отношении эпидермис представляет двойной интерес: с точки зрения ввода лекарственных соединений через кожу и воздействия на центральную нервную систему через акпунктурные зоны.

Прием лекарства через кожу

Кожа человека не только позволяет врачу оценить состояние человека, но и через нее можно ввести больному лекарства. Такой ввод лекарств очень эффективен, полезен и совсем не сложен.

Особенностью движения зарядов, характеризующей ионный вид проводимости, является перенос вещества. Схема движения зарядов такова. Вещество находится в ионизированном состоянии. Атом или молекула вещества либо имеют лишний электрон, либо им электрона недостает. Под влиянием приложенного напряжения отрицательно заряженные ионы (катионы) начинают перемещаться по телу человека к электроду -- аноду, к которому подключен положительный источник напряжения; положительно заряженные ионы (анионы) начинают перемещаться к отрицательному электроду-- катоду.

Для перемещения в растворе 1 г-экв вещества (грамм-эквивалент численно равен химическому эквиваленту вещества, т. е. отношению атомной массы к валентности) требуется одно и то же количество электричества (около 100 000 Кл). Электролитический способ перемещения вещества используется в одном из старейших средств лечения, называемом электрофорезом или ионофорезом [31].

С помощью электрофореза в организм через кожу вводятся антибиотики, йодистые препараты, разные сложные лекарственные соединения. Действуют эти соединения на организм человека иначе, чем при других способах их введения (пилюли, микстуры, внутримышечная или внутривенная инъекция). И вот почему. Лекарственные соединения, вводимые с помощью постоянного тока через кожу, оказывают общее действие на весь организм. Накапливаемые в кожных покровах лекарственные соединения вызывают раздражение нервных окончаний. Они раздражаются непосредственно вводимыми химическими соединениями и электрическим током. По-видимому, идет перестройка электропроводности под действием тока. В то же время лекарственные соединения с током лимфы и крови всасываются в капилляры и разносятся через эти системы по всему организму, оказывая действие на ткани, наиболее чувствительные к данному веществу. Таким образом, общее действие лекарственного вещества при электрофорезе складывается из рефлекторных и гуморальных явлений. Подбором соответствующих лекарственных соединений, подбором режима тока можно получить преимущественное действие того или другого механизма (рефлекторного или гуморального) [26].

Электрическое сопротивление эпидермиса

Новый этап в изучении электрических свойств кожи, и в первую очередь эпидермиса, начался после того, как Б. М. Ворошилов в соавторстве с другими учеными предложил для измерения поверхностного электрического сопротивления использовать коаксиальный электрод, состоящий из двух электродов: центрального -- в виде металлического штифта и круглого, при наличии отличной изоляции (фторопласт) между ними. Электроды включались в схему электрического моста, напряжение источника питания моста составляло 2 В.

Изучение локального поверхностного электрического сопротивления посредством коаксиального электрода дало поистине ошеломляющие результаты. Оно позволило, в частности, тому же Б. М. Ворошилову с соавторами установить возможность по величине уменьшения поверхностного электрического сопротивления обнаруживать воспалительный процесс в органах и тканях, находящихся под поверхностью кожи. Границы зоны электрического сопротивления, которое меньше общефонового сопротивления на поверхности тела, дают графическое представление о локализации воспаления.

Секрет этого нового диагностического метода -- в удивительных свойствах полупроводниковой проводимости ороговевшего слоя кожи. Слабые "электронные связи" этого слоя и активное электронное сродство явлений, возникающих I на атомно-молекулярном уровне, дают о себе знать в макро-явлениях. Перед биофизиками изучение электронных свойств эпидермиса открывает широкие перспективы, позволяет внести новый вклад в познание живого и неживого. Но уже сейчас удивительное явление -- изменение электрического сопротивления эпидермиса -- находит практическое применение в простой и быстрой диагностике заболеваний.

1.2 Физиотерапия

Понятие, цели, круг заболеваний

Лечение непосредственно через кожу наиболее распространенно в физиотерапии. Физиотерапия -- это лечение с помощью природных и физических факторов: тепло и холод, ультразвук, электрический ток, магнитное поле, лазер, ультрафиолетовое, инфракрасное и другие виды излучений, лечебные грязи, вода, массаж, гирудотерапия и др.

Цель физиотерапии -- это достижение наилучшего эффекта в лечении какого-либо заболевания, при наименьшей нагрузке на организм пациента, используя, в основном, физические методы лечения.

Несомненное преимущество физиотерапии перед другими методами лечения -- ее высокая эффективность вкупе с безопасностью. Физиотерапия позволяет свести к минимуму возможные побочные явления и неприятные последствия как самой болезни, так и ее лечения, подчас отрицательно сказывающегося на защитных силах организма. Физиотерапия будит внутренние резервы организма, укрепляет иммунитет и тем самым сокращает сроки лечения, ускоряет заживление ран и воспалений, активизирует важнейшие биохимические процессы в организме, настраивая естественные силы организма на выздоровление. Физиотерапия успешно применяется для лечения самых разных заболеваний органов и систем человеческого организма. Чаще всего она используется как дополнительный метод в общем курсе лечения.

Физиотерапевтические методы лечения, как все другие, назначаются с учётом:

патологии (заболевания),

стадии течения заболевания, его тяжести,

истории жизни и болезни пациента,

его возраста, пола,

физического и психического состояния,

географии его проживания.

Также могут учитываться и другие факторы, такие как социальное положение, личное отношение пациента к предложенным методам лечения и др.

Физиотерапия применяется для лечения широкого круга заболеваний. Физиотерапия хороша тем, что она помогает и дополняет лечение состояний, которые не всегда хорошо поддаются традиционной терапии:

болевой синдром

хроническое воспаление придатков и матки

нарушение менструального цикла

мастопатия

состояние после операций

заболевания позвоночника и суставов

урологические заболевания.

Классификация методов физиотерапии

По физическим характеристикам они классифицируются следующим образом:

1. Постоянные токи низкого напряжения:

а) непрерывный ток: гальванизация и лекарственный электрофорез;

б) импульсный ток: диадинамотерапия и диадинамофорез; электросон; электростимуляция; короткоимпульсная электроаналгезия; амплипульстерапия (выпрямленный режим) и амплипульсфорез; интерференцтерапия.

2. Переменные токи:

а) низкой и звуковой частоты и низкого напряжения:

амплипульстерапия (переменный режим); флуктуоризация;

б) надтональной и высокой частоты и высокого напряжения:

токи надтональной частоты (ТНЧ); дарсонвализация.

3. Электрическое поле:

а) ультравысокочастотная терапия (УВЧ);

б) франклинизация;

в) аэроионизация.

4. Магнитное поле:

а) низкочастотная магнитотерапия (ПеМП НЧ);

б) переменное магнитное поле высокой частоты (ПеМП ВЧ) - индуктотермия.

5. Электромагнитное излучение:

а) сверхвысокочастотная терапия (СВЧ-терапия): сантиметроволновая (СМВ), дециметроволновая (ДМВ) терапия;

б) крайневысокочастотная терапия (КВЧ-терапия): миллиметроволновая (ММВ) терапия;

в) светотерапия: инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, монохроматическое когерентное (лазерное) и полихроматическое некогерентное поляризованное (пайлер-) излучение.

6. Механические колебания и движение:

а) вибротерапия;

б) ультразвук;

в) массаж;

г) рефлексотерапия;

д) вытяжение (сухое и подводное);

е) мануальная терапия;

ж) кинезотерапия.

7. Вода: гидротерапия и бальнеотерапия.

8. Температурный фактор (термотерапия):

а) теплотерапия (лечебные грязи, торф, парафин, озокерит);

б) криотерапия (лечение холодом).

9. Измененное атмосферное давление и компонентов воздуха:

а) локальная баротерапия;

б) оксигенобаротерапия.

В практической медицине продолжает использоваться “старая” классификация электротерапии:

1. Лечение постоянными токами низкого напряжения: гальванизация и электрофорез; диадинамотерапия и ДДТ-форез; электростимуляция и др.

2. Лечение переменными токами низкой и звуковой частоты и низкого напряжения: амплипульстерапия (переменный режим); флюктуоризация.

3. Лечение переменными токами высокой частоты и высокого напряжения и электромагнитным полем: дарсонвализация; индуктотермия; УВЧ-, СВЧ- и КВЧ-терапия.

4. Лечение электрическим полем высокой напряженности: франклинизация; аэроионизация.

Рассмотрим один из самых эффективных методов физиотерапии - чрескожную электростимуляцию.

1.3 Чрескожная электростимуляция

Общие положения

Суть этого метода заключается в том, что на болевой участок или на область прохождения нервов или нервных стволов, иннервирующих этот участок тела, воздействуют очень короткими (0,05--0,3 мс) импульсами прямоугольной формы или асимметричными биполярными импульсами электрического тока при частоте их от 30 до 200 Гц. Время, в течение которого действует ток в импульсе, достаточно для возбуждения только чувствительных нервных волокон. Двигательные нервы и мышечные волокна не возбуждаются столь короткими импульсами.

Механизм болеутоляющего действия короткоимпульсных токов идентичен механизму действия других импульсных токов. Однако он имеет более ограниченный характер, поскольку происходит только в чувствительной сфере и заключается в блокировании нервных проводников для болевых импульсов. Немалое значение имеет и психогенный фактор. Достоинством этого метода является не только селективность действия, но и очень небольшой размер аппаратов, что позволяет больным после соответствующего инструктажа самостоятельно пользоваться ими в любых условиях.

К показаниям для применения чрескожной электростимуляции прежде всего следует отнести острые болевые состояния. При них отмечается наибольшая эффективность метода. Это посттравматические боли острые боли радикулярного характера, боли в суставах, невралгии и др. Противопоказания незначительны: наличие у больных электростимуляторов сердца, особенно задающих ритм, беременность во второй ее половине. Не следует проводить воздействия на область каротидных синусов [4].

В зависимости от анатомофизиологических условий и характера заболевания применяют электроды различных форм и размеров. Если электроды располагают в пределах болевого участка, то необходимо, чтобы расстояние между их краями было не меньше величины электрода. При болях в области позвоночника возможно паравертебральное одно- и двустороннее расположение электродов по обе стороны болевого участка. Возможно расположение одного электрода паравертебрально у сегмента спинного мозга, соответствующего тому дерматому или миотому, в пределах которого на проекции болевого участка располагают второй электрод. При иррадиации боли вдоль нерва один из электродов располагают у его периферического участка, второй -- в области нервного сплетения или у соответствующего сегмента спинного мозга. Электроды могут быть расположены и на так называемых специфических точках: акупунктурных, триггерных, двигательных. Для уменьшения послеоперационных болей стерильные электроды располагают у краев разреза. При обширных болевых зонах возможно одновременное применение двух пар электродов от двух- или многоканальных аппаратов. Электроды закрепляют на теле больного липкими лентами или пластырем, помещая между металлической пластинкой электрода и поверхностью тела пропитанную водой или электродной пастой матерчатую прокладку.

Воздействия короткоимпульсными токами проводят при значительно большей продолжительности процедур в сравнении с другими методами -- от 30 до 60 мин один или два раза в день ежедневно, от 3 до 5 дней в неделю. В отдельных случаях при специальных показаниях и эффективности процедур воздействия проводят несколько раз в день при общей продолжительности их в несколько часов [30].

Необходимо подобрать наиболее эффективный для данного больного режим электростимуляции. Подбор начинают с фиксированной частоты, чаще 100 Гц, и длительности импульса 0,2 мс. Плавно увеличивают силу тока до появления спровоцированной парестезии типа «вибрации» в зоне воздействия. Затем, изменяя длительность импульсов и частоту их следования, подбирают оптимальный режим стимуляции, при котором нет болевых ощущений, «вибрация» приятна и быстро наступает анальгезия [15].

Боль может быть купирована при продолжительности процедуры от 5 до 30 мин. Повторные процедуры проводят при возобновлении болевого симптома или с профилактической целью. Эффективность обезболивающего действия оценивают по интенсивности боли, длительности безболевого периода, приему анальгетиков, расстройствам поведения, данным неврологического обследования.

Частоту импульсов подбирают в соответствии с наиболее приятными ощущениями для больного, имея в виду, что при частотах, превышающих 100 Гц, быстро развивается привыкание к току, а болеутоляющий эффект более выражен при низких частотах в сочетании со значительной интенсивностью воздействия [4].

Аппаратура для чрескожной электростимуляции

Для выполнения ЧЭНС используются малогабаритные аппараты: портативные аппараты «Дэнас», «ДиаДэнс-ПК», «ДиаДэнс-ПКм» (Екатеринбург), «Пролог» (Беларусь) с аккумуляторным питанием, «Элиман-101», «Элиман-401», «Рикта-Эс-мил» (Москва), «АФТ СИ-01-МикроМед» (Воронеж), аппараты серии «Галатея» (Москва), работающие от электросети.

Аппараты для местной электроанальгезии генерируют моно- или биполярные импульсы электрического тока прямоугольной формы длительностью 20-500 мкс и частотой следования 20-300 Гц.

Наиболее широко применяются в практике лечебных учреждениях и в домашних условиях портативные с аккумуляторным питанием аппараты «Дэнас» и «ДиаДэнс», в меньшей степени используют «Пролог», хотя эффективность лечебного действия у них одинаковая.

Аппараты «ДиаДэнс-ПК» и «ДиаДэнс-ПКм» генерирует импульсные токи со следующими параметрами: форма импульса биполярная, длительность до 400 мкс, частота 1-200 Гц, интенсивность импульсного тока 200-400 мкА.

Аппарат «Пролог-02» генерирует биополярные импульсы частотой 10-170 Гц. Прямоугольная составляющая имеет длительность импульса до 400 мкс и максимальную амплитудную мощность до 40 В/м. Амплитудная мощность синусоидальной составляющей изменяется от 0 до 100 В/м в зависимости от кожного сопротивления току в зоне воздействия. Аппарат может генерировать сигналы на строго выбранных «фиксированных» частотах или в режиме «качающихся» частот 10-170 Гц.

В аппаратах «ДиаДэнс» и «Пролог-02» электроды находятся непосредственно на корпусе прибора, поэтому процедуры выполняют по контактной, сканирующей методике воздействия, поэтому возможно воздействовать в течение одной процедуры на обширные болевые зоны.

Аппараты ЧЭНС, работающие от электрической сети, оснащены пластинчатыми электродами, поэтому процедура электро-нейростимуляции выполняется по стабильной методике, когда электроды фиксируются на область патологического очага боли, либо на точки акупунктуры.

В аппарате «АФТ СИ-01-МикроМед» имеется режим работы короткоимпульсная электроанальгезия. Параметры тока: форма импульсов прямоугольная, треугольная, экспоненциальная; может генерировать несколько форм импульсов; полярность биполярная, прямая и обратная; длительность импульсов 0,05-0,5 мс, частота следования импульсов 1-300 Гц.

В разрабатываемом аппарате используется трансдермальная электрофармстимуляция - чрескожная электростимуляция с введением в организм лекарственных веществ. Этот метод является более эффективным.

1.4 Трансдермальная электрофармстимуляция

Трансдермальные терапевтические системы (ТТС) являются дозированными лекарственными формами, обеспечивающими проникновение лекарственных веществ через кожу в системный кровоток.

Принцип действия ТТС заключается в том, что за счет градиента концентрации лекарственные вещества диффундируют из резервуара (матрицы) и проникают в организм человека благодаря пассивной диффузии с определенной скоростью через кожу. Преимуществом является возможность плавного регулирования скорости поступления лекарственных веществ в системное кровеносное русло, отсутствие нежелательного влияния на желудочно-кишечный тракт, исключение эффекта прохождения через печеночный барьер, что позволяет поддерживать постоянный уровень эффективной концентрации действующего вещества в организме продолжительное время [25].

Физическое усовершенствование ТТС предполагает использование различных физических факторов для повышения проницаемости кожи, улучшения микроциркуляции и изменения фармакокинетики лекарственных веществ, входящих в их состав, поэтому направление предполагающее создание нового вида ТТС - трансдермальных физиотерапевтических систем (ТФС) является современным, актуальным и перспективным.

Среди ТФС научное обоснование и наиболее широкое применение, к сожалению, пока только за рубежом, получили трансдермальные электротерапевтические системы (ТЭТС), базирующиеся на способности электрических токов осуществлять активный транспорт лекарства через кожу.

Наиболее детально изучено влияние электрических токов на проницаемость кожи для различных лекарств. Доказано, что при лекарственном электрофорезе по сравнению с простой аппликацией количество поступающего в организм вещества за 20 -30 минут возрастает в 3,2-4,5 раза. При одновременном использовании физических факторов и лекарств наиболее значительно на поступление лекарств в организм через кожу влияет постоянный электрический ток. Следовательно, при создании ТФС второго поколения целесообразно использовать гальванический ток. При совместном использовании лекарств и электрического тока отмечается ослабление побочного и токсического действия некоторых лекарственных веществ (сердечных гликозидов, противоопухолевых средств, антибиотиков, гормонов, нейролептиков и др.) Как известно, сам электрический ток проявляет противовоспалительное, обезболивающее, трофическое, иммуномодулирующее, спазмолитическое и др. действие [16]. Для разработки ТФС могут быть использованы результаты научных исследований, в которых обосновывается применение в медицинской практике таких методов, как электрофорез лекарственных веществ.

Источник тока может быть внутренним, т.е. входить в конструкцию ТЭТС. К примеру ТТС IontoPatch (США) представляет собой пластырь площадью 70 , содержащий два изолированных друг от друга резервуара для действующих лекарственных веществ. Один резервуар присоединяется к катоду, а другой к аноду. Активный элемент может представлять собой пористый материал, поры которого заполнены лекарственным веществом, или сшитый гель с лекарством, которому придана определенная форма. Концентрация лекарства в растворе обычно колеблется от 1 до 15%.

Во многих ТЭТС используют внешний автономный источник тока. Они аналогичны применяемым для гальванизации и электрофореза, но портативны и имеют автономное питание. Важной составной частью являются токонесущие электроды, контактирующие прямо или косвенно (через токопроводящую систему) с рабочим раствором лекарственного вещества. Их следует изготавливать из неполяризующихся материалов, обеспечивающих минимальное образование паразитарных ионов и изменение РН рабочего раствора. В известных ТЭТС для электродов использовали такие материалы, как платина, серебро, графит, а также нержавеющую сталь.

В настоящее время преимущественно за рубежом изготавливают и выпускают ТЭТС со следующими лекарствами: пилокарпин, суматриптан, тестостерон, инсулин, фентанил, клонидин, нитроглицерин, лидокаин, сальбутамол. Ассортимент используемых лекарственных веществ пока весьма ограничен, что естественно суживает и круг заболеваний, где ТЭТС могут использоваться. Рынок трансдермальных устройств насчитывает около 1,2 миллиарда долларов США, что составляет около 10% от всего рынка товаров, связанных с доставкой лекарственных средств(Tiwary et al., 2007). И это при том, что на продажу поставляется ТТС с десятью лекарственными средствами. Вне сомнения, применение в ТТС новых лекарственных веществ и разработка ТФС будут содействовать развитию этого важного направления, находящегося на стыке многих дисциплин.

Способ трансдермальной электрофармстимуляции (синонимы ДЭНС-форез, ЧЭНС (TENS)- форез), предложенный в 2002 г Воробьевым Д.В. (патент на изобретение №2290217) является следующим шагом в развитии ТЭТС, так как вместо гальванического (постоянного) тока в данном способе трансдермального введения лекарственных веществ впервые используется биполярный импульсный ток.

Впервые была экспериментально доказана возможность введения различных лекарственных веществ в биологические среды (полиакриламидный гель, кожу) посредством биполярных импульсных токов.

Впервые отработаны безопасные режимы воздействия и предложены уникальные методики лечения дегенеративно-дистрофических заболеваний суставов и позвоночника. Определены показания и противопоказания.

В результате изобретения в лечении больных с заболеваниями опорно-двигательной системы были применены абсолютно новые препараты природного и синтетического происхождения не входящие в перечень приведенных выше препаратов для ТЭТС.

Эффективность способа введения лекарственных веществ, предложенного Воробьевым Д.В. была экспериментально доказана на кафедре фармацевтической химии СамГМУ (зав. кафедрой проф. Шаталаев И.Ф.,), кафедре общей, бионеорганической и биоорганической химии СамГМУ (зав. кафедрой проф. Аввакумова Н.П.), кафедре фармтехнологий Сам ГМУ (зав. кафедрой Первушкин С.В.), кафедре органической, биоорганической и медицинской химии Сам ГУ(зав. кафедрой проф. Пурыгин П.П.). Клинические исследования эффективности предложенного способа в лечении заболеваний опорно-двигательной системы проведены в крупных специализированных центрах г. Самары.

Апробация указанного способа проведена в Областном клиническом госпитале для ветеранов войн, в городском ревматологическом центре (гор. больница №4), городской поликлинике №1, санатории «Бирюсинка плюс», пансионате «Усинский», детской гор. больнице №2, городской поликлинике № 9, Самарской больнице филиала ФГУ «ПОМЦ Росздрава».

Положительный эффект указанного способа был доказан на примере лечения 422 человек, в возрасте от 5 до 92 лет. Больных страдающих остеоартрозом коленного сустава было - 205 чел., остеохондрозом шейного отдела позвоночника - 36 чел., пояснично-крестцового отдела позвоночника - 165 чел., болезнью Легга-Кальве-Пертеса - 16 чел. Осложнений после проведенного лечения выявлено не было. Положительные результаты были отмечены во всех исследуемых группах. Применение изобретения в комплексном лечении заболеваний опорно-двигательной системы позволило значительно снизить дозировку НПВП на курс лечения, что доказано результатами клинических исследований [25].

Для осуществления ТЭФС Воробьев Д.В. использовал портативные аппараты для чрескожной электронейростимуляции ЧЭНС (ДЭНС,TENS). Указанные аппараты не были предназначены для введения лекарственных веществ, поэтому им были разработаны специальные устройства.

Сущность предложения заключается в том, что используется биполярный импульсный ток, первой фазой которого является ток постоянного направления, а вторая фаза - деполяризация позволяет усилить процесс трансдермального введения лекарственного вещества. Это происходит за счет создаваемого переменным током, так называемого тока смещения, создающего емкостную проводимость. Она увеличивается с повышением частоты переменного тока, позволяющему преодолеть сопротивление рогового слоя эпидермиса (конденсатора), который создает препятствие для гальванического (постоянного) тока. Кроме того, были применены новые препараты природного и синтетического происхождения не входящие в перечень приведенных выше препаратов для ТЭТС.

Аппараты для трансдермальной электрофармстимуляции (ТЭФС) нужны в детских и взрослых лечебных учреждениях, санаториях, реабилитационных центрах, а также в ведомствах, работа которых связана с повышенным мышечным напряжением и травматизмом - спортивные команды, армейские подразделения, структуры МВД и МЧС. Работники офисов, которые наряду с гиподинамией имеют хронический синдром мышечного перенапряжения шейно-грудного и пояснично-крестцового отдела позвоночника легко смогут получать лечение в домашних условиях.

2. РАЗРАБОТКА АППАРАТА ДЛЯ ТРАНСДЕРМАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОФАРМСТИМУЛЯЦИИ

2.1 Разработка структурной схемы аппарата для трансдермальной электрофармстимуляции

Обоснование технических параметров

На основании рассмотренного материала были выбраны оптимальные характеристики для аппарата ТЭФС.

Технические требования определяются критериями адекватности воздействия, которым удовлетворяет ряд сигналов с ограниченным спектром, сосредоточенным в области минимальных повреждающих эффектов (болевые эффекты, ожоги под электродами). Для реализации в аппаратуре необходимо выбрать сигналы, формирование которых требует минимальных затрат и осуществляется схемотехническими решениями, обеспечивающими малое энергопотребление аппаратуры. Данным требованиям удовлетворяет форма стимулирующего тока при длительности пачек порядка сотен герц. Длительность импульсов в пачке должна обеспечивать основную частоту спектра порядка десятков - сотен килогерц. Прямоугольная форма импульсов позволяет использовать выходные каскады электростимуляторов в ключевом режиме, что снижает токи, потребляемые схемой [5].

В разрабатываемом приборе в качестве формы тока выберем пачки прямоугольных импульсов. Каждый импульс состоит из двух фаз: первой фазой является ток постоянного направления, а вторая фаза - деполяризация позволяет усилить процесс трансдермального введения лекарственного вещества. Длительность и амплитуда фаз регулируется раздельно. Возможно включение модуляции отдельно для каждой фазы.

Для того чтобы обеспечить портативность аппарата, были выбраны соответствующие габаритные размеры и масса прибора.

Также имеется возможность изменения полярности - вручную или автоматически через устанавливаемый интервал времени.

Амплитуда тока - 0..80 мА

Длительность импульса - 0..248 мкс

Частота следования - 10-250 Гц

Частота модуляции - 62,5 кГц

Габаритные размеры - 83x150x33,5 мм

Вес - 300 г.

Структурная схема аппарата

Электростимулятор должен производить прямоугольные импульсы с определенной частотой. Для формирования импульсов используем микроконтроллер.

Так как разрабатываемый аппарат для электрофармстимуляции является портативным, в качестве источника питания используем элементы питания типа АА. Для обеспечения необходимого напряжения питания (5В) добавим источник питания (повышающий стабилизатор).

Для удобства пользователя нужен дисплей, где будут отображаться задаваемые параметры, и кнопки для переключения этих параметров и включения самого прибора.

Построим структурную схему, которая содержит все основные части устройства и дает наглядное представление о последовательности их взаимодействия.

Рисунок 2.1.2 - Структурная схема аппарата для трансдермальной электрофармстимуляции

Управление аппаратом осуществляется с помощью четырехкнопочной клавиатуры. Выбранный режим работы и параметры импульсов отображаются на четырехстрочном текстовом матричном жидкокристаллическом индикаторе.

Амплитуда и полярность импульсов устанавливаются управляющим микроконтроллером. Временные параметры импульсов (длительность, частота следования) также формируются микроконтроллером на микропрограммном уровне.

Выходной каскад предназначен для формирования в цепи электродов прямоугольных импульсов тока регулируемой амплитуды положительной или отрицательной полярности.

Импульсный преобразователь напряжения предназначен для повышения низковольтного напряжения батареи до уровня, необходимого для питания выходного каскада с учетом заданного тока и фактического импеданса биологических тканей под электродами. Оценка импеданса и регулирование выходного напряжения преобразователя осуществляется микроконтроллером. Питание выходного каскада адаптивно регулируемым напряжением позволяет существенно снизить потребляемую от батареи мощность.

Источник питания предназначен для снабжения микроконтроллера и других функциональных узлов аппарата стабилизированным напряжением питания (5В). Нормальное функционирование аппарата возможно при напряжении батареи от 3-4В до менее чем 2В, что позволяет использовать батарею из двух гальванических элементов либо аккумуляторов типоразмера АА с полным использованием их емкости. По команде микроконтроллера осуществляется отключение источника питания с переводом микроконтроллера в спящий режим, за счет чего реализуется выключение и включение аппарата без использования механического выключателя.

2.2 Принципиальная схема аппарата для трансдермальной электрофармстимуляции

На этом этапе выполняется проектирование основных узлов принципиальной схемы, подбираются микросхемы, рассчитываются элементы.

2.2.1 Выбор микроконтроллера

Микроконтроллер в данном устройстве должен выполнять следующие функции:

- принимать данные с клавиатуры и отображать их на ЖКИ

- управлять АЦП

- формировать импульсы стимуляции и управлять выходным каскадом

- обеспечивать регулировку выходного напряжения преобразователя

- формировать модулирующие импульсы

Контроль режима выходного каскада осуществляется путем подачи напряжений с электродов на АЦП микроконтроллера, что позволяет оценивать текущее состояние импеданса под электродами. Так как изменение импеданса кожи очень медленное, быстродействие АЦП не нужно.

АЦП выбирается, исходя из условия корректного квантования сигнала по амплитуде и дискретизации по времени. Рисунок 2.2.1 поясняет понятия квантования и дискретизации.

Рисунок 2.2.1 - Квантование и дискретизация сигнала

Выборка непрерывных аналоговых данных должна осуществляться согласно теореме Котельникова: Если функция f(x) имеет ограниченный спектр, локализованный в диапазоне -оmax ? о ? оmax, то она полностью определена путем задания отсчетов на наборе точек, отстоящих друг от друга на расстоянии 1/2оmax. Однако для реальных сигналов условия теоремы Котельникова в строгом смысле не выполняются. По критерию Найквиста частоты дискретизации превышающей в 2 раза максимальную частоту спектра обрабатываемого сигнала достаточно для корректной работы [19]. Соответственно, максимальная частота спектра равна 250 Гц. Частота дискретизации должна быть равна 500 Гц.

Точность квантования сигналов по амплитуде определяется разрешением АЦП. Разрешение АЦП - минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП - связано с его разрядностью. В случае единичного измерения без учета шумов разрешение напрямую определяется разрядностью АЦП. Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которое преобразователь может выдать на выходе. В двоичных АЦП разрядность измеряется в битах. Например, двоичный 8-ми разрядный АЦП, способен выдать 256 дискретных значений (0…255), поскольку 28 = 256. Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, деленной на количество выходных дискретных значений.

Для того, чтобы достоверно проводить измерение импеданса, достаточно, чтобы погрешность АЦП не превышала 5 %. Тогда точность АЦП:

(2.1)

Исходя из этого, получим, что наиболее близкое к этому значение 25 = 32. Следовательно, достаточно использовать 5-ти разрядный АЦП.

Кроме того, контроллер должен иметь достаточно большое количество портов ввода-вывода, так как к нему подключаются кнопки, дисплей, а так же происходит управление всеми составляющими схемы. По подсчетам, количество портов ввода-вывода должно быть не меньше 20.

После проведенного анализа существующих микроконтроллеров, удовлетворяющих данным требованиям и сравнения их цен был выбран микроконтроллер PIC16F883 фирмы MICROCHIP.

Данный микроконтроллер имеет следующие технические характеристики:

FLASH-память программ	7 Кб
Число линий ввода-вывода	28
10-разрядный АЦП, число каналов	11
Память данных EEPROM	256 байт
Скорость CPU	5 млн оп/с
Тактовая частота	8МГц..32кГц
Температурный диапазон
8-ми разрядный таймер	Есть
16-ти разрядный таймер	Есть
Встроенный ШИМ-модулятор	Есть
Напряжение питания	2…5,5 В

Рисунок 2.2.2 - Функциональная схема микроконтроллера PIC16F883

Работой всей схемы управляет микроконтроллер DD1 PIC16F883 фирмы Microchip Technology Incorporated, включенный по стандартной схеме. Схема тактирования микроконтроллера реализована с помощью внешнего кварцевого резонатора ZQ1 и конденсаторов С2, С3. Элементы подключаются ко входу и выходу инвертирующего усилителя синхрогенератора микроконтроллера DD1 и необходимы для его работы. Ёмкость конденсаторов равна 22 пФ 20%. Для обеспечения требуемой дискретности установки длительности импульса выбран кварцевый резонатор на частоту 16 МГц.

Рисунок 2.2.3 - Схема тактирования микроконтроллера

Микроконтроллеры PIC16F88х снабжены фильтром помех в MCLR Reset path. Фильтр обнаруживает и игнорирует небольшие импульсы. Защита от электростатических разрядов на выводе MCLR была изменена еще в первых устройствах этого семейства. Поступающие на вывод напряжения, превышающие номинальные значений, могут привести к сбросу MCLR и превышению тока в устройстве. По этой причине Microchip рекомендует не связывать контакт MCLR непосредственно с VDD. Рекомендуется использование RC цепи, как показано на рисунке 2.2.3. Исходя из этого, поставим С4=0,1мкФ, R9=2,2кОм и R10=10кОм.

Также, для снижения риска непреднамеренного сброса микроконтроллера к линии +Е подключают внешний подтягивающий резистор с рекомендуемым значением сопротивления от 4,7 до 10 кОм.

Рисунок 2.2.4 - Рекомендуемая схема включения MCLR

2.2.2 Разработка устройства индикации

При эксплуатации прибора необходимо индицировать основные параметры работы прибора, а именно: амплитуду стимулов, длительность стимулирующего импульса, частоту следования импульсов, время изменения полярности. Следовательно, мы имеем 4 основных параметра стимуляции для чего необходимо примерно 20 символов, поэтому вполне рационально применение LCD дисплея 4x16 символов.

Индикацию на таком дисплее можно организовать так, как показано на рисунке 2.2.5.

Экран 1

Ток 80мА

Длит 100 мкс

Част 100 Гц

<Еще>

Экран 2

Полярность Авто

Интервал 10мин

Модуляция Ф1+Ф2

Рисунок 2.2.5 - Пример индикации информации на ЖКИ индикаторе.

Наиболее подходящим индикатором, удовлетворяющим нашим требованиям, является индикатор MT12864J-2FLA.

Жидкокристаллический модуль MT-12864J, состоит из БИС контроллера управления и ЖК панели. Описание индикатора представлено в таблице 2.2.2. Внешний вид модуля приведен на рис. 2.2.6. Контроллер управления К145ВГ10, производства ОАО «АНГСТРЕМ» (www.angstrem.ru), аналогичен KS0108 фирмы SAMSUNG. Каждой светящейся точке на ЖКИ соответствует логическая “1” в ячейке ОЗУ модуля. Индикаторы MT-12864J выпускаются с напряжением питания 3В и 5В.

Таблица 2.2.2 - Описание индикатора MT12864J-2FLA.

Разрешение: 128x64

Подсветка: Янтарная

Размеры(мм): 75х52,7х8,5

Видимая область(мм): 60x32.6

Тип стекла: FSTN Positive

Термокомп.: Нет

Контроллер: KS107/KS108

T_раб.: -20-+70

Т_хран.: -30-+80

Угол зрения: 6

Размер точки(мм): 0.4x0.4

Рисунок 2.2.6 - Внешний вид ЖКИ индикатора.

Управление контрастностью ЖКИ индикатора показано на рисунке 2.2.7.

Рисунок 2.2.7 - Управление контрастностью индикатора

Таким образом, резистор R5=10кОм. Емкость предназначена для устранения низкочастотных помех.

Транзисторный ключ VT1 предназначен для отключения в спящем режиме ЖКИ. Наиболее подходящим транзистором для этого является с KT3107. Рассчитаем нагрузку R11 на базе транзистора VT1.

Для открывания данного транзистора необходим ток 5 мА. Напряжение питания составляет 5 В. Сопротивление на базе в таком случае:

(2.2)

2.2.3 Разработка источника питания

В соответствии с заданием прибор имеет батарейное питание. Для работы устройства требуется постоянное стабилизированное напряжения +5 В. Следовательно источник вторичного питания должен содержать повышающий преобразователь напряжения и стабилизатор. Поэтому источник питания выполнен по схеме повышающего стабилизатора на специализированной микросхеме MAX856CSA.

Принципиальная схема вторичного источника питания изображена на рисунке 2.2.8.

Рисунок 2.2.8 - Принципиальная схема вторичного источника питания

Фильтрующие емкости шунтируют высокочастотные помехи, возникающие в цепях питания, емкости предназначены для устранения низкочастотных помех [35]. Величина запасающей энергию индуктивности составляет .

Значения элементов выбираем согласно спецификации на данную микросхему.

Фильтрующая емкость шунтирует высокочастотные помехи, возникающие в цепях питания, емкость предназначена для устранения низкочастотных помех.

Определим номиналы резисторов и , задающих пороговое напряжение работы от батарей. В спецификации на микросхему указывается, что входной ток на вход LBI микросхемы не должен превышать 25мкА. Величина резистора определяется по формуле:

, (2.3)

где - минимальное рабочее напряжение батарей;

- максимальный ток на входе LBI;

Выбираем номинал резистора .

Величина резистора определяется выражением:

, (2.4)

где - опорное напряжение микросхемы MAX856CSA;

Выбираем номинал резистора .

В качестве диода в документации к микросхеме рекомендуется использовать диод Шоттки марки 1N5817.

2.2.4 Разработка импульсного преобразователя напряжения

Импульсный преобразователь напряжения выполнен по обратноходовой стабилизированной схеме на транзисторах VT2, VT3 и трансформаторе T1. Используется стандартная схема с увеличением напряжения на автогенераторном принципе работы. Нужно, чтобы преобразователь увеличивал напряжение до 100 В, так как напряжение, поступающее на выходной каскад по заданию должно быть 80 В. Также, трансформатор выбирают с учетом того, чтобы частота на выходе составляла порядка 50-100 кГц, в соответствии с заданием. Выбираем для трансформатора сердечник типоразмера КВ5 из феррита 1500НМ3.

Емкости С9, С11 и С12 служат сглаживающими конденсаторами. С9 и С12 фильтруют верхние частоты, С11 - нижние. Выберем величину емкости конденсаторов С9=С12=0,1мкФ, С11=100мкФ.

Диод должен выдерживать обратное напряжение 200 В. Данному значению обратного напряжения соответствует выпрямительный диод HER103.

В качестве ключевого транзистора VT3 возьмем p-n-p биполярный транзистор BC640 с мощностью рассеивания 800 мВт, способный выдержать проходящие через него токи и напряжения. В открытом состоянии транзистор передает через себя ток на резисторы R20 и R21. Резистор R20 задает режим по переменному току, а R21 - по постоянному. Ток покоя через транзистор VT3 составляет около 50 мА. Напряжение, приходящее на R20 и R21 составит: 5В - 0,6В - 0,6В=3,8В , где 5В - напряжение от источника питания, 0,6В - падения напряжений на каждом из транзисторов VT2-VT3.

Следовательно, суммарное сопротивление R20 и R21 составит:

(2.5)

R20 должно быть в несколько раз меньше R21 [9]. Поэтому выберем R20=10 Ом, R21=68 Ом. Сопротивление в 68 Ом необходимо шунтировать, для чего и предусмотрена емкость С13.

(2.6)

Емкость лучше выбрать с номиналом, несколько превышающий рассчитанный. Возьмем С13=0,33 мкФ.

Выходное напряжение преобразователя ступенчато регулируется микроконтроллером через резистивный делитель R6-R8. Чтобы рассчитать эти сопротивления, нужно найти . Для этого сначала найдем R17. На резистор приходит напряжение с преобразователя 100 В, максимальный ток на этом резисторе 2 мА.

(2.7)

Выберем резистор с чуть большим номиналом R17=620 кОм.

(2.8)

При найдем =240 кОм. Тогда найдем R6, R7 и R8, учитывая, что их значения относятся как 2:1 (заложено в микроконтроллере).

(2.9)

Экспериментально были установлены оптимальные значения R6-R8: .

2.2.5 Разработка выходного каскада

Необходимо разработать выходной каскад, являющийся источником тока, в котором осуществлялась модуляция последовательности прямоугольных импульсов, и осуществлялось управление амплитудой тока от 0мА до 80мА. Такой выходной каскад удобно построить на транзисторах собранных по мостовой схеме (см. рисунок 2.2.9).

Транзисторы VT5, VT11 серии КТ3102 задают форму стимулирующего тока. При высоком отрицательном напряжении на базах они заперты, и ток в схеме не течёт. Ток будет течь после прихода на их базы положительного импульса.

Рисунок 2.2.9 - Схема выходного каскада

Токи коллекторов транзисторов VT4, VT10 должны составлять 80мА. Выберем транзисторы VT4, VT10 серии КТ6117А. Коэффициент этих транзисторов равен 50. Рассчитаем токи базы и эмиттера для этих транзисторов согласно формулам 2.10, 2.11:

...