Моделирование работы четырехэлектродного автономного электростимулятора желудочно-кишечного тракта

Размещено на http://www.allbest.ru/

НОУ ВПО «Институт государственного управления, права и инновационных технологий»

Моделирование работы четырехэлектродного автономного электростимулятора желудочно-кишечного тракта

Владимир Васильевич Кокорин, зав. учебно-исследовательской лабораторией

Николай Андреевич Чарыков, к.т.н., проф., каф. «Информационные системы и инновационные технологии»

Николай Алексеевич Феоктистов, д.т. н., первый проректор

Москва

Authors consider principle of operation and electrical parameters of the four-electrode autonomous electric stimulator, as well as its behavior in an electrolyte solution; show oscillograms of the output voltage generated at the electrode stimulator for his work in an environment of aqueous electrolyte solutions, a model of the electrode system in the electrolyte in the form of equivalent circuit with distributed parameters; propose modeling work electric stimulator placed in the gastric juice is done, using the program Pspice; good correlation between this simulation results and experiment is observed.

Keywords: model of electrode system in electrolyte, autonomous electric stimulator, Pspice program.

Рассмотрен принцип действия и электрические параметры автономного четырехэлектродного электростимулятора, а также его поведение в растворе электролита; представлены осциллограммы выходных напряжений, сформированных на электродах стимулятора при его работе в среде водных растворов электролитов; предложена модель электродной системы в электролите в виде эквивалентной схемы с распределенными параметрами; осуществлено моделирование работы электростимулятора, помещенного в желудочный сок, при помощи программы PSpice; отмечено хорошее соответствие результатов этого моделирования с экспериментом.

Ключевые слова: модель электродной системы в электролите, автономный электростимулятор, программа PSpice.

Введение

Постановка задачи

В последнее время значительное распространение получили различные автономные электростимуляторы (АЭС) организма человека и животных [1, 2]. АЭС, представляющие собой портативные электронные устройства, хорошо зарекомендовали себя как лечебное средство для стимуляции желудочно-кишечного тракта пациентов, а также в качестве устройства, облегчающего течение некоторых специфических заболеваний внутренних органов. Особое место среди такого рода приборов занимает четырехэлектродный АЭС (АЭС4), разработанный АО «Завод Компонент» (г. Зеленоград, Москва). Четырехэлектродный АЭС оказывает более сильное лечебное воздействие и характеризуется отсутствием ряда негативных явлений, имеющих место при работе обычного электростимулятора. В настоящем исследовании не рассматриваются медицинские аспекты работы четырехэлектродного АЭС. Объектом изучения являлись особенности взаимодействия электронного устройства управления стимулятором и его электродной системы, находящейся в жидкой среде внутри организма человека.

Конструкция рассматриваемого прибора, более сложная по сравнению с обычными двухэлектродными автономными стимуляторами, и сложный характер выходного электрического воздействия вызывают необходимость моделирования поведения АЭС4 в электролитах живых организмов, в частности, в желудочном соке человека. Изучение работы данного устройства в жидкой среде позволяет проверить правильность методики моделирования электрических свойств электродных систем АЭС4.

Краткое описание конструкции и функционирования АЭС

Конструкция рассматриваемого устройства включает в себя диэлектрический корпус и прикрепленные к нему четыре электрода из нержавеющей стали. Внутри корпуса размещаются источник питания и электронное устройство управления (ЭУУ).

Рис. 1. Расположение электродов АЭС: Е1, Е2, Е3, Е4 - электроды из нержавеющей стали; С - диэлектрический корпус

При работе стимулятора импульсы выходного электрического тока должны протекать попеременно от одного электрода прибора к другому. При этом должны иметь место все возможные комбинации пар электродов и все возможные направления протекания тока. Для реализации такого алгоритма работы АЭС внутри ЭУУ помещены четыре выходных каскада управления (ВКУ), соединяемые с соответствующими электродами прибора. Электрические схемы ВКУ представлены на рис. 2.

Рис. 2. Выходные каскады ИМС управления АЭС4

Выходные каскады интегральной микросхемы (ИМС) управления АЭС4 содержат мощные МОП транзисторы VT1,VT3, VT5, VT6, VT9, VT10, VT13, VT14. Остальные транзисторы выполняют вспомогательные функции.

Во включенном состоянии выходные n-канальные МОП транзисторы (VT3, VT6, VT10, VT14) функционируют в качестве генераторов выходного тока АЭС, а р-канальные транзисторы (VT1, VT5, VT9, VT13) находятся в открытом состоянии. Выходные вольт-амперные характеристики этих транзисторов ЭУУ в открытом состоянии приведены на рис. 3.

Выходное воздействие электростимулятора формируется в виде пачек из 16 импульсных интервалов. Пачки импульсов следуют каждые 3,125 с. Таким образом, весь период воздействия может быть разделен на две части: активная часть (16 импульсных интервалов) и пассивная часть (пауза между пачками импульсов). Временные диаграммы сигналов управления выходными МОП транзисторами ЭУУ представлены на рис. 4.

Рис. 3. ВАХ выходных n-МОП (кривая 1) и р-МОП (кривая 2) транзисторов

Мощные выходные транзисторы открываются поочередно в течение активной части периода, а средние транзисторы (см. VT8, VT12, VT16 на рис. 2) находятся в открытом состоянии во время паузы. Таким образом, электроды АЭС E2, E3, E4 соединяются с отрицательной клеммой источника питания в течение всей пассивной части периода выходного воздействия. Микромощный р-канальный МОП транзистор VT2 открыт постоянно, так как его затвор жестко соединен с общей точкой (см. рис. 2).

В течение активного периода воздействия каждый импульсный интервал состоит из трех участков: «A», «B» и «C» (рис. 4), различающихся состоянием выходных транзисторов ЭУУ.

Рис. 4. Временные диаграммы сигналов управления выходными транзисторами ЭУУ

В течение временного интервала «A» все выходы устройства управления находятся в высокоимпедансном состоянии; открытым при этом является только микромощный транзистор VT2. Исключением является первый импульсный интервал, так как в течение этого промежутка времени открыты средние n-МОП транзисторы VT8, VT12, VT16. В начале временного интервала «B» открывается один из мощных выходных р-МОП ключей (VT1, VT5, VT9, VT13), который соединяет электрод E_i с положительной клеммой источника питания +U_cc. Этот ключ остается в замкнутом состоянии в течение участка «C» так же, как и на участке «B». В промежутке времени временного интервала «C» включается один из выходных n-канальных генераторов тока, чем и обеспечивается протекание тока из электрода E_i в электрод E_k.

Экспериментальное исследование работы АЭС4 на макете

Изучение работы АЭС4 в жидких средах проводилось с помощью макета электродной системы (МЭС). МЭС изготавливался следующим образом: в пустом корпусе АЭС4 просверливались четыре отверстия, через которые пропускались провода, которые припаивались изнутри корпуса к электродам АЭС4. Вся конструкция склеивалась и герметизировалась. Противоположные концы проводов соединялись с соответствующими выходами ЭУУ.

Макет электродной системы помещался в исследовательскую жидкость, и осциллограммы напряжений на его электродах фиксировались с помощью запоминающего осциллографа «С8-17».

На рис. 5 приведены осциллограммы выходных напряжений АЭС4, снятые при погружении МЭС в желудочный сок человека. Осциллограммы фиксировались при общей точке осциллографа, соединенной с положительной клеммой источника питания.

Кривые зависимостей U(E_k) = F(t) имеют сложную форму. Они доступны для простой интерпретации только на некоторых своих участках. Так, потенциал электрода E1 равен +U_cc на протяжении участков «A» всех (кроме 1-го) импульсных интервалов. Это связано с тем, что в этом периоде времени открыт только микромощный выходной транзистор VT2, соединяющий E1 с положительной клеммой источника питания. При этом электрический ток через систему отсутствует и падение напряжения между истоком и стоком транзистора VT2 равно нулю.

Рис. 5. Осциллограммы выходных напряжений АЭС в желудочном соке человека

Потенциал электрода E_k практически равен +U_cc на участке «B» в том случае, если в течение этого промежутка времени открыт соответствующий мощный выходной р-МОП ключ. Это имеет место, например, на участке «B» 6-го импульсного интервала для выходного напряжения U(E2).

Далее на участке «C» потенциал электрода, соединенного с открытым р-МОП ключом, остается практически постоянным и отличается от +U_cc на величину dU. Значение dU равно падению напряжения между истоком и стоком открытого р-МОП ключа, вызываемому протеканием выходного тока I_out. Этот ток изменяется в течение участка «C» незначительно, так как величина его задается выходным генератором тока на мощном n-МОП транзисторе (см. кривую 1 на рис. 3). Для участка «C» 6-го импульсного интервала: n-МОП генератор тока - транзистор VT3 (электрод E1); р-МОП ключ - транзистор VT5 (электрод E2).

Очевидно, что «провалы» потенциала на участке «C» на осциллограммах всех выходных напряжений связаны с протеканием выходного тока АЭС. Однако плавное изменение потенциала электродов в течение этих интервалов времени не поддается простой интерпретации.

Непонятным является также наличие выбросов напряжения выше уровня +U_cc (положительная клемма источника питания) или ниже уровня общей точки (отрицательная клемма источника питания). Последнее имеет место на электроде E4 в начале паузы. Полная интерпретация формы кривых U(E_k) = F(t) становится возможной только после разработки адекватной электрической эквивалентной схемы АЭС, которую следует использовать для электрического моделирования работы прибора в жидких средах.

Описание модели электродной системы в электролите

При моделировании работы АЭС4 в жидкой среде электронное устройство управления достаточно представить в виде соответствующих моделей выходных каскадов (см. рис. 2). При этом МОП-транзисторы замещаются эквивалентными схемами, применяемыми в программе PSpice [5]. Исключением являются мощные выходные р-МОП ключи (VT1, VT5, VT9, VT13), которые при проведении расчетов представлялись в виде ключевых элементов с сопротивлением в открытом состоянии R_on = 30 Ом.

При разработке эквивалентной электрической схемы электродной системы АЭС принимались в расчет следующие факторы [3, 4].

На границе раздела сред «металлический электрод - раствор электролита» образуется двойной электрический слой (ДЭС), который со стороны раствора состоит из ионов электролита, а со стороны электрода - из электронов или ионов кристаллической решетки. Разделенные заряды ДЭС создают контактную разность потенциалов между металлом и раствором.

Электрическая проводимость границы раздела сред имеет ярко выраженный нелинейный характер. При приложении внешнего электрического поля между электродами, находящимися в растворе электролита, катионы устремляются к катоду, а анионы - к аноду. Но ион, подходящий к металлическому электроду, не может сразу же произвести обмен электронами с этим электродом. Ионы накапливаются на границе раздела сред, изменяя при этом зарядовое состояние ДЭС. Переход электронов из раствора в металл или обратно становится возможным только тогда, когда напряжение на двойном электрическом слое достигает определенной величины.

Из сказанного выше следует, что наличие ДЭС ведет к возникновению емкостных свойств контакта «металлический электрод - раствор электролита». При этом электрическая проводимость этого контакта зависит от напряжения не линейно.

Электрическую проводимость самого раствора электролита можно с хорошей степенью точности считать линейной и определяемой только геометрическими факторами.

Электрическая эквивалентная схема электродной системы АЭС4, учитывающая приведенные выше соображения, представлена на рис. 6. В этой схеме конденсаторы C1, C2, C3, C4 моделируют емкостные свойства ДЭС, образующихся вокруг электродов АЭС: E1, E2, E3 и E4 соответственно. Нелинейные резисторы Rel_ch являются элементами, сопротивление которых моделирует электрическую проводимость границы раздела фаз. Линейные резисторы R1_2, R1_3, R1_4, R2_3, R2_4 и R3_4 моделируют проводимость раствора электролита между соответствующими электродами АЭС.

Моделирование работы четырехэлектродного АЭС было произведено с применением эквивалентной схемы, изображенной на рис. 6. Установлено, что эта эквивалентная схема с сосредоточенными R-C параметрами дает возможность отразить только общий характер электрических процессов, протекающих при работе АЭС в жидкой среде.

Рис. 6. Электрическая эквивалентная схема электродной системы АЭС с сосредоточенными параметрами

Усовершенствование эквивалентной схемы было осуществлено с учетом распределенного характера R-C параметров электродной системы стимулятора (рис. 7). Электрическому току приходится преодолевать большее сопротивление раствора при протекании между более удаленными друг от друга участками электродов, чем при его протекании между соседними участками. электростимулятор желудочный электролит

Значения параметров компонентов этой схемы, адаптированных для случая АЭС в кислом желудочном соке человека, приведены в табл. 1.

Рис. 7. Электрическая эквивалентная схема электродной системы АЭС с распределенными параметрами

Таблица 1. Характеристики элементов системы, полученные при моделировании

Вольт-амперная характеристика нелинейного элемента, моделирующего поляризационную кривую электрода АЭС в желудочном соке человека, приведена на рис. 8.

Рис. 8. ВАХ нелинейного элемента Rel_ch, моделирующего проводимость границы раздела сред «электрод - раствор»

Моделирование работы АЭС4 в жидкой среде

При помощи программы PSpice [5] был проведен расчет выходных напряжений АЭС4 с использованием эквивалентной схемы, изображенный на рис. 7. Результатом моделирования явились кривые зависимостей U(E_i) = F(t), приведенные на рис. 9. Сопоставление этих кривых с реальными осциллограммами, изображенными на рис. 5, позволяет говорить, что имеет место не только качественное, но и довольно точное количественное соответствие между параметрами экспериментальных и расчетных зависимостей U(E_i) от времени. Отклонение кривых, представленных на рис. 9, от соответствующих им зависимостей U(E_i) = F(t) с рис. 5 связаны со следующим несовершенством эквивалентной схемы АЭС: простая резистивная схема, состоящая из элементов R1_2, R1_3, R1_4, R2_3, R2_4, R3_4, не может служить адекватной моделью для сложной картины растекания электрического тока в жидкой среде между четырьмя электродами стимулятора.

Рис. 9. Расчетные временные диаграммы выходных напряжений АЭС модели с распределенными параметрами

Четырехэлектродный автономный электростимулятор АЭС4 характеризуется сложной конструкцией и микроэлектронной системой управления. Работа данного стимулятора в среде водных растворов электролитов сопровождается формированием на его электродах выходных напряжений, сложным образом изменяющихся во времени. В ходе данного исследования были зафиксированы осциллограммы этих напряжений, в том числе при работе АЭС в кислом желудочном соке человека. Разработанная эквивалентная схема электродной системы позволила провести электрическое моделирование работы АЭС. Указанная эквивалентная схема адекватно отражает реальные электрофизические свойства системы. Созданная таким образом методика моделирования работы АЭС дает хорошее совпадение теории с экспериментом и может быть использована при проектировании новых типов автономных электростимуляторов.

Литература

1. Пекарский В.В. Автономные электростимуляторы организма человека и животных / В.В. Пекарский, В.Ф. Агафонников, Г.Ц. Дамбаев, О.С. Попов, А.Г. Мартусевич. - Томск: Издательско-полиграфическая фирма ТПУ, 1995. 132 с.

2. Колесникова С.З. Автономный электростимулятор желудочно-кишечного тракта (АЭС ЖКТ) - анализ исследовательской работы и результатов клинического применения // Медицинская картотека МиРа. 1997. №5. С.4 - 6.

3. Дэвис С., Джеймс А. Электрохимический словарь. М.: Мир. 1979.

4. Физическая химия / Под ред. К.С. Красного. М.: Высшая школа. 1995.

5. Разевиг В.Д. Система схемотехнического проектирования Design Center (PSpice). М.: CК Пресс. 1996.

Размещено на Allbest.ru