[go: up one dir, main page]

RU2153365C2 - Электростимулятор желудочно-кишечного тракта - Google Patents

Электростимулятор желудочно-кишечного тракта Download PDF

Info

Publication number
RU2153365C2
RU2153365C2 RU97111993A RU97111993A RU2153365C2 RU 2153365 C2 RU2153365 C2 RU 2153365C2 RU 97111993 A RU97111993 A RU 97111993A RU 97111993 A RU97111993 A RU 97111993A RU 2153365 C2 RU2153365 C2 RU 2153365C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electrodes
pulse generator
gastrointestinal tract
electrode
polarization
Prior art date
Application number
RU97111993A
Other languages
English (en)
Other versions
RU97111993A (ru
Inventor
В.В. Кокорин
В.Н. Серебренников
Н.А. Чарыков
И.Е. Шумков
Original Assignee
Кокорин Владимир Васильевич
Серебренников Владимир Николаевич
Чарыков Николай Андреевич
Шумков Илья Евгеньевич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Кокорин Владимир Васильевич, Серебренников Владимир Николаевич, Чарыков Николай Андреевич, Шумков Илья Евгеньевич filed Critical Кокорин Владимир Васильевич
Priority to RU97111993A priority Critical patent/RU2153365C2/ru
Publication of RU97111993A publication Critical patent/RU97111993A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2153365C2 publication Critical patent/RU2153365C2/ru

Links

Images

Landscapes

  • Electrotherapy Devices (AREA)

Abstract

Изобретение относится к медицине и ветеринарии, а именно к электростимуляторам желудочно-кишечного тракта (ЖКТ). Предлагается электростимулятор ЖКТ, включающий генератор импульсов, источник питания и электроды, представляющие собой две электрически изолированные части лекарственной капсулы, а генератор импульсов и источник питания размещены внутри капсулы. В него введен ключевой элемент, управляемый генератором импульсов и закорачивающий электроды во время пауз. Использование предлагаемого устройства благодаря подавлению эффектов поляризации электродов практически исключает анодное растворение и коррозию материала электродов, что позволяет исключить возникновение гипермикроэлементоза в организме человека или животного при проведении электрической стимуляции ЖКТ. Использование указанного предложения позволяет существенно расширить диапазон конструкторских решений электростимуляторов в плане выбора материала электродов и необходимого напряжения питания. 3 ил.

Description

Изобретение относится к медицине и ветеринарии, а именно к электростимуляторам желудочно-кишечного тракта.
Известен электростимулятор желудочно-кишечного тракта (ЖКТ), включающий генератор импульсов, источник питания и электроды, представляющие собой две электрически изолированные части лекарственной капсулы, а генератор импульсов и источник питания размещены внутри капсулы [1, 2].
Известный электростимулятор ЖКТ работает следующим образом.
Электростимулятор вводится в желудочно-кишечный тракт пациента и при контакте с содержимым ЖКТ или его слизистой оболочкой генератор импульсов автоматически включается в работу, вырабатывая прямоугольные импульсы, разделенные промежутками пауз в соответствии с заданной временной диаграммой. В известных технических реализациях электростимуляторов ЖКТ [3] ток от генератора импульсов поступает в организм в течение прохождения импульсов, вызывая возбуждение нервных окончаний и производя стимулирующее воздействие на организм, причем во время пауз выходной ток отсутствует, а выход генератора импульсов находится в высокоимпедансном состоянии.
При работе известного электростимулятора имеет место ряд негативных явлений. Первый и второй электроды электростимулятора поляризуются внутри ЖКТ биологического объекта в результате протекания тока через раствор электролита организма между указанными электродами. Поляризация электродов проявляется в том, что даже при большой длительности паузы между импульсами, составляющей единицы секунд, между электродами сохраняется значительная разность потенциалов Up. Например, для известных реализаций серийно выпускаемого электростимулятора ЖКТ с электродами, изготовленными из нержавеющей стали марки 12Х18Н9Т ГОСТ 4986-79, величина Up может составлять от 0,58 до 2,6 В в зависимости от состава и концентрации раствора электролита живого организма.
Поляризация электродов оказывает негативное влияние на функционирование электростимулятора. Напряжение поляризации Up вычитается из напряжения источника питания, приводя к неконтролируемому уменьшению в различных отделах ЖКТ амплитуды тока во время прохождения импульса и ослаблению стимулирующего воздействия.
Эффект поляризации электродов и возникновение напряжения поляризации Up приводит также к существенным ограничениям в выборе материала, из которого могут быть изготовлены электроды электростимулятора. Так, именно высокий потенциал поляризации заставил первых конструкторов автономных электростимуляторов отказаться от титана в качестве материала для электродов [4].
Поляризация электродов не позволяет иметь напряжение источника питания ниже напряжения поляризации Up. Тем самым использование двух гальванических элементов в известном электростимуляторе проблематично, а использование одного гальванического элемента не приводит к желаемому эффекту, что не позволяет снизить себестоимость изделия и повысить его надежность.
Внутри желудочно-кишечного тракта человека или животного в процессе функционирования известного электростимулятора ЖКТ - прототипа - происходит активное электрохимическое растворение материала одного из электродов, являющегося анодом, сопровождаемое потемнением поверхности и коррозией, как правило, существенно неоднородной по поверхности этого электрода. На катоде электростимулятора происходит выделение водорода, пузырьки которого можно визуально наблюдать в лабораторных условиях. Для известных реализаций серийно выпускаемого электростимулятора желудочно-кишечного тракта электроды изготавливаются из нержавеющей стали. При анодном растворении такого электрода в среду желудочно-кишечного тракта переходит не контролируемое количество ионов металлов, которые затем, всасываясь через стенки ЖКТ, попадают в кровь. В результате может наступить нарушение обмена микроэлементов в виде накопления их в организме - гипермикроэлементоз.
Целью настоящего изобретения является подавление эффекта поляризации электродов при работе электростимулятора внутри желудочно-кишечного тракта человека или животного для устранения анодного растворения и коррозии электродов электростимулятора и исключения гипермикроэлементоза в живом организме вследствие работы электростимулятора ЖКТ, а также расширения возможностей конструирования подобных приборов в плане выбора материала электродов и уменьшения количества гальванических элементов питания.
Эта цель достигается тем, что в электростимулятор желудочно-кишечного тракта, включающий генератор импульсов, источник питания и электроды, представляющие собой две электрически изолированные части лекарственной капсулы, а генератор импульсов и источник питания размещены внутри капсулы, введен ключевой элемент, управляемый генератором импульсов и закорачивающий электроды во время пауз.
Для пояснения сущности данного изобретения вначале рассмотрим злектрофизические механизмы поляризации электродов в среде водного раствора электролита и анодного растворения материала электрода в этой среде при работе электростимулятора ЖКТ - прототипа.
Эквивалентная электрическая схема замещения электродной системы электростимулятора (ЭС) в среде водного раствора электролита [5] представлена на фиг. 1. На фиг. 1 обозначено: Э1, Э2 - точки подключения первого и второго электродов ЭС; Relv - сопротивление раствора электролита в объеме; C1, C2 - конденсаторы, моделирующие емкостные свойства двойного электрического слоя (ДЭС), возникающего на границе раздела двух сред "металлический электрод - раствор электролита"; D1, D2 - нелинейные резистивные элементы, моделирующие вольтамперные характеристики контактов "металлический электрод - раствор электролита".
Вольтамперные характеристики (ВАХ) элементов D1 и D2 соответствуют поляризационным кривым электродов ЭС, изготовленных из данного материала, в данном водном растворе электролита. Возможный вид поляризационных кривых электродов ЭС, то есть зависимость тока электрода I в функции напряжения "электрод - раствор" U, приведен на фиг. 2, где как на положительной (ОА), так и отрицательной (ВО) ветвях ВАХ имеются участки, на которых так называемый "остаточный" ток очень мал. Наличие таких участков связывают с наличием потенциального барьера на границе раздела сред "металлический электрод - раствор электролита". Электрический ток через границу раздела сред начинает протекать только тогда, когда напряжение на ДЭС анода превышает значение Ua, а напряжение на ДЭС катода сказывается ниже значения - Ub. Протекание тока через границу раздела сред "металлический электрод - раствор электролита" сопровождается протеканием электрохимической реакции, выход которой подчиняется закону Фарадея, в соответствии с которым количество образовавшихся продуктов реакции прямо пропорционально протекающему через электрохимическую ячейку количеству электричества. В связи с чем принято условно называть этот ток "фарадеевским" током, а перенесенный им заряд "фарадеевским" зарядом. На эквивалентной электрической схеме замещения электродной системы электростимулятора фарадеевским током является ток, протекающий через нелинейные резистивные элементы D1 и D2.
При подаче внешнего напряжения между электродами Э1 и Э2, находящимися в растворе электролита, в электрической цепи начинает протекать ток, который в начале процесса расходуется почти весь на заряд емкостей двойного электрического слоя C1 и C2. Ток проводимости через границу раздела сред крайне мал до тех пор, пока ДЭС вблизи данного электрода не зарядится до некоторого критического напряжения, соответствующего началу определенной электрохимической реакции. В данном случае для анода это напряжение Ua, а для катода это напряжение -Ub.
Значение тока на участках поляризационной кривой ВО и ОА настолько мало, что даже при значительной длительности паузы между импульсами (единицы секунд) очень большая емкость ДЭС не может существенно разрядиться. Поэтому в стационарном режиме работы непосредственно после прохождения очередного импульса от генератора импульсов ДЭС анода оказывается заряжен до напряжения выше +Ua, а ДЭС катода - до напряжения ниже -Ub. При длительной паузе разность потенциалов на каждой из ДЭС спадает до значений, примерно равных Ua на аноде и - Ub на катоде, а разность потенциалов между электродами электростимулятора ЖКТ - прототипа - спадает до значения напряжения поляризации Up, составляющего величину, равную сумме указанных потенциалов Up = Ua + Ub.
Таким образом, разность потенциалов на каждой из ДЭС первого и второго электрода при работе электростимулятора ЖКТ - прототипа - в растворе электролита не может упасть ниже определенного потенциала поляризации в данной среде. При этом потенциалы поляризации при установившемся режиме работы электростимулятора являются как бы "пьедесталом", начиная с которого происходит изменение напряжения на двойных электрических слоях при прохождении следующего импульса. Следовательно, электроды электростимулятора при этом постоянно находятся в "активных" частях своих поляризационных кривых, а именно левее точки "B" (фиг. 2) для катода и правее точки "A" для анода. Поэтому не только при прохождении импульсов тока от генератора импульсов, но и в паузах между импульсами между электродами электростимулятора сохраняется некоторая разность потенциалов за счет заряда на конденсаторах C1 и C2, а через нелинейные резистивные элементы D1 и D2 продолжает постоянно протекать некоторый фарадеевский ток, сопровождаемый процессами электрохимических реакций вблизи электродов. Отсюда следует вывод, что весь электрический заряд, переносимый током, вырабатываемым генератором импульсов, является фарадеевским зарядом и полностью расходуется на катодную и анодную электрохимические реакции. На катоде протекание фарадеевского тока вызывает выделение водорода, пузырьки которого всегда наблюдаются визуально при работе электростимулятора ЖКТ - прототипа, а на аноде имеет место растворение материала электрода и его окисление.
В отличие от электростимулятора ЖКТ - прототипа, новым в предлагаемом электростимуляторе ЖКТ является добавление в устройство некоторого ключевого элемента, закорачивающего электроды во время отсутствия импульсов тока от генератора, то есть во время пауз между импульсами. Закорачивание электродов в течение паузы приводит к быстрому разряду конденсаторов C1 и C2, отображающих емкостные свойства двойного электрического слоя на границе раздела сред "металлический электрод - раствор электролита", в результате чего практически полностью подавляется электрохимическая поляризация электродов и связанные с ней негативные последствия.
Технический результат выражается в практически полном подавлении поляризации электродов при работе предлагаемого электростимулятора ЖКТ, отсутствии выделения водорода на катодном электроде, практически полном исключении растворения материала анодного электрода и его окисления и, как следствие, исключении гипермикроэлементоза в организме человека или животного при электрической стимуляции ЖКТ. В дополнение к этому, использование указанного предложения позволяет существенно расширить диапазон конструкторских решений электростимуляторов в плане выбора материала электродов и необходимого напряжения питания. Указанное предложение, позволяющее подавить эффекты поляризации электродов, может быть использовано при конструировании электростимуляторов различных органов человека и животных (не только желудочно-кишечного тракта), а также при конструировании биоэлектрических датчиков.
На фиг. 1 изображена эквивалентная электрическая схема замещения электродной системы электростимулятора ЖКТ в среде водного раствора электролита.
На фиг. 2 изображен вид поляризационной кривой электродов электростимулятора.
На фиг. 3 изображена структурная схема электростимулятора ЖКТ, включающая источник питания ИП, генератор импульсов ГИ, первый электрод Э1, второй электрод Э2 и ключевой элемент КЭ, управляемый генератором импульсов и закорачивающий электроды Э1 и Э2 во время паузы между импульсами.
Ключевой элемент имеет основные выводы 1, 3 и входной вывод 2, по которому осуществляется управление. При поступлении управляющего сигнала на вывод 2 ключевого элемента с выхода 2 генератора импульсов сопротивление ключевого элемента между его основными выводами 1 и 3 мало, в результате чего этот элемент закopaчивает электроды Э1 и Э2 электростимулятора. При отсутствии управляющего сигнала на вывод 2 с выхода 2 генератора импульсов сопротивление ключевого элемента между его основными выводами 1 и 3 велико и ключевой элемент не оказывает влияния на прохождение импульса стимулирующего тока с выхода 1 генератора импульсов на электрод Э1. В качестве ключевого элемента может быть использован любой известный электронный управляемый элемент, например полевой или биполярный транзистор.
Электростимулятор желудочно-кишечного тракта работает следующим образом. Электростимулятор вводится в организм человека или животного одним из известных способов. При контакте с содержимым желудочно-кишечного тракта или его слизистой оболочкой генератор импульсов электростимулятора автоматически включается в работу, вырабатывая импульсы тока, разделенные промежутками пауз в соответствии с заданной временной диаграммой, такой же как и для электростимулятора ЖКТ - прототипа.
Импульсы тока с выхода 1 генератора импульсов подаются на электрод Э1, вызывая стимулирующее воздействие. В течение этой фазы управляющий сигнал с выхода 2 генератора импульсов отсутствует, сопротивление ключевого элемента между его основными выводами 1 и 3 велико и ключевой элемент не оказывает влияния на прохождение импульса стимулирующего тока на электрод Э1. В течение промежутка паузы импульсы тока с выхода 1 генератора импульсов отсутствуют. В этой фазе работы электростимулятора с выхода 2 генератора импульсов на вывод 2 ключевого элемента подается сигнал управления. Ключевой элемент переходит в низкоимпедансное состояние, закорачивая электроды Э1 и Э2, тем самым, как было показано выше, подавляя поляризацию электродов и ликвидируя связанные с ней негативные последствия.
Экспериментальные исследования работы лабораторных образцов в различных исследовательских жидкостях - кислых средах, водных растворах HCl различной концентрации, желудочных соках человека с повышенной и пониженной кислотностью, а также желчи - показали, что применение предлагаемого данным изобретением электростимулятора ЖКТ практически исключает электрохимическое растворение материала электродов. При этом внешний вид анода и прозрачность раствора оставались практически без изменений в течение нескольких суток работы электростимулятора в растворах различных электролитов. Выделение водорода на катодном электроде электростимулятора не наблюдалось. У контрольных образцов электростимулятора ЖКТ - прототипа - при проведении подобных исследований катод через несколько минут покрывался пузырьками выделяющегося водорода, а анод за время эксперимента приобретал бурую окраску и значительно корродировал, причем раствор приобретал соответствующую окраску из-за растворения в нем ионов металлов.
Использование предлагаемого устройства благодаря подавлению эффектов поляризации электродов практически исключает анодное растворение и коррозию материала электродов, что позволяет исключить или существенно снизить вероятность гипермикроэлементоза в организме человека или животного при проведении электрической стимуляции ЖКТ. Использование указанного предложения позволяет существенно расширить диапазон конструкторских решений электростимуляторов в плане выбора материала электродов и необходимого напряжения питания. Подобное решение подавления поляризации электродов может быть использовано при конструировании электростимуляторов различных органов человека и животных (не только ЖКТ), а также при конструировании биоэлектрических датчиков.
Библиографические данные источников информации
1. Авт. свид. N 936931, заявлено 25.01.80. Пекарский В.В., Агафонников В.Ф., Дамбаев Г.Ц., Кобозев В.И., Попов О.С. Электростимулятор желудочно-кишечного тракта.
2. Патент N 936931 на изобретение "Электростимулятор желудочно-кишечного тракта". Пекарский В.В., Агафонников В.Ф., Дамбаев Г.Ц., Кобозев В.И., Попов О.С. Приоритет изобретения 25 января 1980 г.
3. Кокорин В.В., Чарыков Н.А. Автономные электростимуляторы желудочно-кишечного тракта и слизистых оболочек (обзор). В сб. "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология)": Материалы докл.науч.-техн.семинара (Москва. 2 - 5 декабря 1996 г.). - М.: МНТОРЭС" им. А.С. Попова, МЭИ, 1997, с.426 - 433.
4. Пекарский В.В., Агафонников В.Ф., Дамбаев Г.Ц., Попов О.С., Мартусевич А.Г. Автономные электростимуляторы организма человека и животных. - Томск: Изд-во ТПУ, 1995.
5. Фрумкин А.Н. и др. Кинетика электродных процессов. - М.: Изд-во МГУ, 1952.

Claims (1)

  1. Электростимулятор желудочно-кишечного тракта, включающий генератор импульсов, источник питания и электроды, представляющие собой две электрически изолированные части лекарственной капсулы, а генератор импульсов и источник питания размещены внутри капсулы, отличающийся тем, что в него введен ключевой элемент, управляемый генератором импульсов и закорачивающий электроды во время пауз.
RU97111993A 1997-07-16 1997-07-16 Электростимулятор желудочно-кишечного тракта RU2153365C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU97111993A RU2153365C2 (ru) 1997-07-16 1997-07-16 Электростимулятор желудочно-кишечного тракта

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU97111993A RU2153365C2 (ru) 1997-07-16 1997-07-16 Электростимулятор желудочно-кишечного тракта

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU97111993A RU97111993A (ru) 1999-06-10
RU2153365C2 true RU2153365C2 (ru) 2000-07-27

Family

ID=20195293

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU97111993A RU2153365C2 (ru) 1997-07-16 1997-07-16 Электростимулятор желудочно-кишечного тракта

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2153365C2 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2234345C2 (ru) * 2002-05-07 2004-08-20 Государственное учреждение системы высшего и послевузовского профессионального образования "Сибирский государственный медицинский университет" Электростимулятор желудочно-кишечного тракта
RU2236267C2 (ru) * 2002-08-07 2004-09-20 Государственное учреждение системы высшего и послевузовского профессионального образования "Сибирский государственный медицинский университет" Электростимулятор желудочно-кишечного тракта (варианты)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU936931A1 (ru) * 1980-01-25 1982-06-23 Томский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Медицинский Институт Электростимул тор желудочно-кишечного тракта

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU936931A1 (ru) * 1980-01-25 1982-06-23 Томский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Медицинский Институт Электростимул тор желудочно-кишечного тракта

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2234345C2 (ru) * 2002-05-07 2004-08-20 Государственное учреждение системы высшего и послевузовского профессионального образования "Сибирский государственный медицинский университет" Электростимулятор желудочно-кишечного тракта
RU2236267C2 (ru) * 2002-08-07 2004-09-20 Государственное учреждение системы высшего и послевузовского профессионального образования "Сибирский государственный медицинский университет" Электростимулятор желудочно-кишечного тракта (варианты)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Dymond Characteristics of the metal-tissue interface of stimulation electrodes
DE69218629T2 (de) Vorrichtung zur geregelten iontophorese
DE3855143T2 (de) Elektrolytische Zuführung von Polypeptiden durch die Haut
Aryan et al. Stimulation and recording electrodes for neural prostheses
Vrabec et al. Characterization of high capacitance electrodes for the application of direct current electrical nerve block
Merrill The electrochemistry of charge injection at the electrode/tissue interface
US3842843A (en) Biogalvanic power supply device and method
Van Dongen et al. Design of Efficient and Safe Neural Stimulators
Juhlin Skin reactions to iontophoretically administered epinephrine and norepinephrine in atopic dermatitis
RU2153365C2 (ru) Электростимулятор желудочно-кишечного тракта
Shah et al. Improved chronic neural stimulation using high surface area platinum electrodes
Kadan-Jamal et al. Electrical stimulation of cells: drivers, technology, and effects
Walton et al. Platinum pacemaker electrodes: Origins and effects of the electrode‐tissue interface impedance
Bonner et al. The pulse‐clamp method for analyzing the electrochemistry on neural stimulating electrodes
RU2134595C1 (ru) Электростимулятор желудочно-кишечного тракта
Musa et al. Coulometric detection of irreversible electrochemical reactions occurring at Pt microelectrodes used for neural stimulation
Mortimer et al. Fundamentals of electrical stimulation
Vrabec et al. Use of high surface area electrodes for safe delivery of direct current for nerve conduction block
Zhou et al. Electrochemical characterization of titanium nitride microelectrode arrays for charge-injection applications
Takmakov Electrochemistry of a robust neural interface
Meza-Cuevas Stimulation of Neurons by Electrical Means
RU2140301C1 (ru) Электростимулятор желудочно-кишечного тракта
Pfau et al. In Situ Measurement of Stimulus Induced pH Changes Using ThinFilm Embedded IrOx pH Electrodes
Nomura et al. Effects of Long-Term In vivo Stimulation on the Electrochemical Properties of a Porous Stimulation Electrode for a Suprachoroidal--Transretinal Stimulation (STS) Retinal Prosthesis.
Vrabec et al. A novel waveform for no-onset nerve block combining direct current and kilohertz frequency alternating current