способ формирования сигналов магнитотерапевтического воздействия и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ формирования сигналов магнитотерапевтического воздействия, основанный на подаче в индуктор в течение заданных промежутков времени t_i, где i= - номер текущего такта; m - число тактов воздействия в течение одного периода T, электрического сигнала в виде двоичной импульсной последовательности с частотой следования импульсов f_и= 1/t_и и длительностью _i = (p₀+p₁)t_и, где t_и - период следования импульсов, р₀ - число промежутков с уровнем логического нуля, p₁ - число промежутков с уровнем логической единицы, которая преобразуется в электрический сигнал с уровнем тока I_i



где U_и - амплитуда напряжения импульсов двоичной импульсной последовательности;

R - сопротивление обмотки индуктора,

при этом импульсную последовательность в течение каждого интервала t_i повторяют t_i/_i раз, кроме того, в течение каждого временного интервала формируют двухуровневый электрический сигнал, задающий полярность, один из уровней которого соответствует прямому направлению вектора магнитной индукции создаваемого индуктором поля, а другой - обратному направлению, отличающийся тем, что формирование двоичной последовательности в каждом временном интервале t_i начинают с подачи на индуктор постоянного напряжения U₀ в течение времени



где _c - постоянная времени индуктора, а затем в индуктор начинает подаваться собственно двоичная импульсная последовательность с периодом t_и= (р₀+p₁)h_t, где h_t= 1/f₀ - интервал дискретизации по времени; f₀- опорная частота, в результате чего импульсная двоичная последовательность поступает на индуктор в течение времени _i = t_i-_si, при этом смена значений с нулевого на единичное и наоборот в двоичной импульсной последовательности происходит только в моменты времени, кратные h_t.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что значение периода импульсной последовательности t_и выбирается с учетом точности задания величины тока, подаваемого в индуктор, в соответствии с выражением

_I = 1/(p₀+p₁),

где _I - погрешность задания величины тока в индукторе,

а постоянная скорость нарастания тока через индуктор обеспечивается при условии р₁/(р₀ + р₁)(0,8. . . 0,85).

3. Устройство для формирования сигналов магнитотерапевтического воздействия, содержащее шину опорного напряжения, подключенную через последовательно соединенные ключ, фильтр и переключатель вектора магнитной индукции к индуктору (секции индукторов), шину данных, подключенную к одним информационным входам формирователя двоичной импульсной последовательности, блока памяти кодов полярности вектора магнитной индукции и блока памяти кодов длительностей временных интервалов, генератор опорной частоты, входом соединенный с входом устройства, а выходом подключенный к сигнальному входу формирователя длительности временных интервалов, информационные входы которого подключены к выходам блока памяти кодов длительностей временных интервалов, а выход соединен с входом счетчика адресов, причем выходы последнего подсоединены к другим информационным входам формирователя двоичной импульсной последовательности, блока памяти кодов длительностей временных интервалов и блока памяти кодов полярности вектора магнитной индукции, выход которого соединен с другим входом переключателя вектора магнитной индукции, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены блок выделения переднего фронта сигнала "Пуск", входом соединенный с входом устройства, а выходом подключенный к одному входу первого элемента ИЛИ, другой вход которого через элемент задержки подсоединен к выходу формирователя длительности временных интервалов, а выход первого элемента ИЛИ соединен с одним сигнальным входом формирователя запускающих импульсов, другой сигнальный вход которого подключен к выходу генератора опорной частоты, а информационные входы соединены с выходами блока памяти кодов длительностей запускающих импульсов, прямой выход формирователя запускающих импульсов соединен с одним входом второго элемента ИЛИ, а инверсный выход формирователя запускающих импульсов через последовательно соединенные элемент И и генератор тактовых импульсов подключен к сигнальному входу формирователя двоичной импульсной последовательности, выход которого подсоединен к другому входу второго элемента ИЛИ, причем выход последнего соединен с другим входом ключа, другой вход элемента И соединен с входом устройства, а информационные входы блока памяти кодов длительностей запускающих импульсов соединены с шиной данных и выходами счетчика адресов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано при создании аппаратуры для магнитотерапевтического воздействия, предназначенной для лечебных и восстановительных процедур.

Известен способ формирования магнитотерапевтического воздействия для пациента, реализованный в устройстве [1], основанный на подаче сигналов тока в индукторы магнитного поля в течение заданного промежутка времени. Однако этот способ имеет низкие функциональные возможности, т. к. задаваемые интервалы времени, амплитуды и полярности электрических сигналов являются фиксированными для сеанса лечения и связаны со структурным построением устройства.

Известен способ формирования магнитотерапевтического воздействия вокруг пациента, реализованный в устройстве [2], основанный на подаче сигналов тока в индукторы магнитного поля в течение заданного промежутка времени. Однако реализация известного способа не позволяет оперативно формировать и изменять последовательности магнитотерапевтического воздействия с разными длительностями и интенсивностями в течение одного сеанса.

Наиболее близким к заявляемому является способ формирования сигналов магнитотерапевтического воздействия и устройство для его осуществления [3], основанные на подаче в систему индукторов электрических сигналов в форме двоичных импульсных последовательностей. Общим недостатком известных способов является зависимость скорости нарастания тока в индукторе от величины тока (поскольку переходной процесс по установлению заданной силы тока длится одно и то же время независимо от того, какой силы устанавливается ток через индуктор).

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей магнитотерапевтической аппаратуры и повышение эффективности воздействия за счет стабилизации скорости нарастания тока в индукторах, приводящей к увеличению временной неоднородности магнитного поля при малых значениях модуля магнитной индукции.

Технический результат, реализуемый в способе формирования сигналов управления магнитотерапевтическим воздействием, достигается тем, что формирование двоичной последовательности в каждом временном интервале t_i начинают с подачи на индуктор постоянного напряжения U₀ в течение времени:



где _c - постоянная времени индуктора. Затем в индуктор начинает подаваться собственно двоичная импульсная последовательность с периодом t_и= (p₀+p₁)h_t, где h_t= 1/f₀ - интервал дискретизации по времени; f₀ - опорная частота, в результате чего импульсная двоичная последовательность поступает на индуктор в течение времени _i = t_i-_si, при этом смена значений (с нулевого на единичное и наоборот) в двоичной импульсной последовательности происходит только в моменты времени, кратные h_t.

Устройство для формирования сигналов магнитотерапевтического воздействия содержит шину опорного напряжения, подключенную через последовательно соединенные ключ, фильтр и переключатель вектора магнитной индукции к индуктору (секции индукторов). Кроме того, устройство содержит шину данных, подключенную к одним информационным входам формирователя двоичной импульсной последовательности, блока памяти кодов полярности вектора магнитной индукции и блока памяти кодов длительностей временных интервалов, а также генератор опорной частоты, входом соединенный с входом устройства, а выходом подключенный к сигнальному входу формирователя длительности временных интервалов, информационные входы которого подключены к выходам блока памяти кодов длительностей временных интервалов. Выход формирователя длительности временных интервалов соединен с входом счетчика адресов, причем выходы последнего подсоединены к другим информационным входам формирователя двоичной импульсной последовательности, блока памяти кодов длительностей временных интервалов и блока памяти кодов полярности вектора магнитной индукции, выход которого соединен с другим входом переключателя вектора магнитной индукции. В состав устройства введены также блок выделения переднего фронта сигнала "Пуск", входом соединенный с входом устройства, а выходом подключенный к одному входу первого элемента "ИЛИ", другой вход которого через элемент задержки подсоединен к выходу формирователя длительности временных интервалов, а выход первого элемента "ИЛИ" соединен с одним сигнальным входом формирователя запускающих импульсов, причем его другой сигнальный вход подключен к выходу генератора опорной частоты, а информационные входы соединены с выходами блока памяти кодов длительностей запускающих импульсов. Прямой выход формирователя запускающих импульсов соединен с одним входом второго элемента "ИЛИ", а инверсный выход формирователя запускающих импульсов через последовательно соединенные элемент "И" и генератор тактовых импульсов подключен к сигнальному входу формирователя двоичной импульсной последовательности, выход которого подсоединен к другому входу второго элемента "ИЛИ". Выход последнего соединен с другим входом ключа, другой вход элемента "И" соединен с входом устройства, а информационные входы блока памяти кодов длительностей запускающих импульсов соединены с шиной данных и с выходами счетчика адресов.

В качестве формирователя двоичной импульсной последовательности можно использовать устройство [3].

Па фиг.1 и 2 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие способ.

Суть способа формирования сигналов магнитотерапевтического воздействия заключается в следующем.

В индуктор подают электрический сигнал в виде тока, параметры которого определяют величину напряженности и направление вектора индукции магнитного поля в индукторе, а также формируют интервал времени t_i, в течение которого удерживается заданная величина напряженности. Для пояснения способа на фиг. 1а представлен один из вариантов диаграммы тока, изменяющегося в течение заданного отрезка времени T (периода). Значение модуля индукции магнитного поля, создаваемого в индукторе, пропорционально величине тока. При этом положительным значениям тока соответствует прямое направление вектора магнитной индукции (например, "север-юг"), а отрицательным - противоположное ("юг-север"). Таким образом, основными параметрами диаграммы тока, подаваемого в индуктор, являются: значение тока I_i, полярность Р_i и длительность t_i воздействия, где - номер текущего такта; m - число тактов воздействия в течение одного периода Т.

Для реализации произвольной диаграммы с периодом T формируют последовательность временных интервалов {t₁,t₂,...t_i,...t_m}. Каждому временному интервалу t_i ставится в соответствие величина тока I_i и направление вектора магнитной индукции, определяемое полярностью тока Р_i, которая задается управляющим напряжением U_упр (единичный потенциал U_упр соответствует положительной полярности, нулевой потенциал - отрицательной полярности), как это показано на фиг.1а и 1б.

Чтобы обеспечить постоянную скорость нарастания тока в индукторе независимо от величины тока I_i каждый временной интервал начинается с подачи на индуктор постоянного напряжения величиной U₀ в течение времени



где _c - постоянная времени индуктора, а затем в индуктор начинает подаваться двоичная импульсная последовательность (фиг.1в) с частотой f_и=1/t_и и периодом

t_и=(p₀+p₁)h_t, (2)

где p₀ - число промежутков с нулевым уровнем, р₁ - число промежутков с единичным уровнем; h_t=1/f₀ - интервал дискретизации по времени; f₀ - опорная частота. Сформированная таким образом импульсная двоичная последовательность поступает на индуктор в течение времени _i = t_i-_si (фиг.1в). Смена значений (с нулевого на единичное и наоборот) в двоичной импульсной последовательности (фиг. 2б) происходит только в моменты времени, кратные h_t (фиг. 2а), соответствующие периодам опорной частоты f₀.

Длина импульсной последовательности (число нулевых и единичных промежутков) N_s= p₀+р₁, а следовательно, и период ее повторения t_и (при заданной опорной частоте f₀) или, наоборот, опорная частота f₀ (при заданном периоде t_и импульсной последовательности) выбираются с учетом точности задания величины тока, подаваемого в индуктор:

_I = 1/N_s = 1/(p₀+p₁), (3)

где _I - погрешность задания величины тока в индукторе.

Величина тока, подаваемого в индуктор, реализуется путем преобразования (усреднения) двоичной последовательности числоимпульсного кода в соответствии с выражением:



где I_i - среднее значение тока импульсной битовой последовательности в течение i-го временного интервала t_i; U_и - амплитуда напряжения импульсов двоичной импульсной последовательности; R - сопротивление обмотки индуктора. В частном случае амплитуда импульсов U_и и значение постоянного напряжения U₀, подаваемого в начале формирования очередного временного интервала, выбираются равными между собой, как это показано на фиг.1 и 2.

На фиг. 1а представлена диаграмма тока, полученного в результате преобразования двоичной импульсной последовательности, заданной на фиг.1в. Направление вектора напряженности магнитной индукции задается управляющим потенциалом: например, единичный потенциал - прямое направление, нулевой потенциал - обратное направление вектора. На фиг.1б представлены управляющие потенциалы, задающие направление вектора магнитной индукции, в частности для интервалов t₁, t₃ и t₇ - прямое направление, для ₅ - обратное. Результирующая диаграмма тока, подаваемого в индуктор, представлена на фиг.1а. Стабилизация скорости нарастания тока через индуктор обеспечивается при условии: ₁/(p₀+р₁)(0,8...0,85).

На фиг. 3 представлено устройство для формирования сигналов магнитотерапевтического воздействия, реализующее предлагаемый способ.

В состав устройства входят: 1 - генератор опорной частоты; 2 - формирователь запускающих импульсов; 3 - элемент "И"; 4 - генератор тактовых импульсов; 5 - формирователь двоичной импульсной последовательности; 6, 18 - элементы "ИЛИ"; 7 - ключ; 8 - фильтр; 9 - переключатель вектора магнитной индукции; 10 - индуктор (секция индукторов); 11 - блок памяти кодов длительностей запускающих импульсов; 12 - блок памяти кодов полярности вектора магнитной индукции; 13 - блок памяти кодов длительностей временных интервалов; 14 - формирователь длительности временных интервалов; 15 - счетчик адресов; 16 - элемент задержки; 17 - блок выделения переднего фронта сигнала "Пуск"; 19 - вход устройства; 20 - шина опорного напряжения; 21 - шина данных.

Устройство содержит шину опорного напряжения 20, подключенную через последовательно соединенные ключ 7, фильтр 8 и переключатель вектора магнитной индукции 9 к индуктору (секции индукторов) 10. Кроме того? устройство содержит шину данных 21, подключенную к одним информационным входам формирователя двоичной импульсной последовательности 5, блока памяти кодов полярности вектора магнитной индукции 12 и блока памяти кодов длительностей временных интервалов 13, а также генератор опорной частоты 1, входом соединенный с входом 19 устройства, а выходом подключенный к сигнальному входу формирователя длительности временных интервалов 14, информационные входы которого подключены к выходам блока памяти кодов длительностей временных интервалов 13. Выход формирователя длительности временных интервалов 14 соединен с входом счетчика адресов 15, причем выходы последнего подсоединены к другим информационным входам формирователя двоичной импульсной последовательности 5, блока памяти кодов длительностей временных интервалов 13 и блока памяти кодов полярности вектора магнитной индукции 12, выход которого соединен с другим входом переключателя вектора магнитной индукции 9. В состав устройства введены также блок 17 выделения переднего фронта сигнала "Пуск", входом соединенный с входом 19 устройства, а выходом подключенный к одному входу первого элемента "ИЛИ" 18, другой вход которого через элемент задержки 16 подсоединен к выходу формирователя длительности временных интервалов 14, а выход первого элемента "ИЛИ" 18 соединен с одним сигнальным входом формирователя запускающих импульсов 2, причем его другой сигнальный вход подключен к выходу генератора опорной частоты 1, а информационные входы соединены с выходами блока памяти кодов длительностей запускающих импульсов 11. Прямой выход формирователя запускающих импульсов 2 соединен с одним входом второго элемента "ИЛИ" 6, а инверсный выход формирователя запускающих импульсов 2 через последовательно соединенные элемент "И" 3 и генератор тактовых импульсов 4 подключен к сигнальному входу формирователя двоичной импульсной последовательности 5, выход которого подсоединен к другому входу второго элемента "ИЛИ" 6. Выход последнего соединен с другим входом ключа 7, другой вход элемента "И" 3 соединен с входом 19 устройства, а информационные входы блока памяти кодов длительностей запускающих импульсов 11 соединены с шиной данных 21 и с выходами счетчика адресов 15.

Устройство функционирует следующим образом. В накопитель цифровой памяти формирователя двоичной импульсной последовательности 5 предварительно записывается по шине данных 21 последовательность числоимпульсных кодов (К₁,..., К_m), задающих величины токов I_i в индукторе (секции индукторов) 10 в соответствующие интервалы времени t_i. Каждому коду K_i, определяющему величину тока I_i, ставят в соответствие двоичный параллельный код длительности временного интервала t_i, код полярности тока P_i, определяющий направление вектора магнитной индукции, и код длительности запускающего импульса _si путем записи этих кодов по шине данных 21 в блок памяти длительностей временных интервалов 13, блок памяти полярностей векторов магнитной индукции 12 и блок памяти длительностей запускающих импульсов 11 соответственно. Таким образом, устанавливается взаимное однозначное соответствие параметров: t_i_ K_i,P_i,_si

В результате в формирователь длительностей временных интервалов 14 через блок памяти длительностей временных интервалов 13 записывается код длительности первого временного интервала, т.е. t_i = t₁, а в формирователь запускающих импульсов 2 через блок памяти длительностей запускающих импульсов 11 - код длительности первого запускающего импульса, т.е. _si = _sl.

Функционирование устройства начинается с подачи разрешающего сигнала "Пуск" по входу устройства 19, который, включая генератор опорной частоты 1, разрешает генерацию импульсов опорной частоты f₀, служащих основой для задания длительностей временных интервалов и длительностей запускающих импульсов. Одновременно с этим сигнал "Пуск" поступает на один из входов элемента "И" 3, разрешая прохождение импульсов запуска с формирователя запускающих импульсов 2 на синхронизируемый по заднему фронту запускающего импульса генератор тактовых импульсов 4, а также через устройство выделения переднего фронта сигнала "Пуск" 17 на один из входов элемента "ИЛИ" 18, разрешая прохождение импульсов начала нового временного интервала t_i+1 с формирователя длительностей временных интервалов 14 через элемент задержки 16 на вход запуска формирователя запускающих импульсов 2. Сигнал с прямого выхода последнего в течение интервала времени, определяемого выражением (1), поступает через элемент "ИЛИ" 6 на управляющий вход ключа 7, разрешая протекание через индуктор 10 тока максимальной интенсивности, при этом полярность тока определяется кодом, поступающим на управляющий вход переключателя 9 от блока памяти полярностей векторов магнитной индукции 12. При этом крутизна переднего фронта импульса тока в индукторе 10 постоянна ввиду того, что скорость нарастания тока независимо от значения K_i определяется значением тока I₀, протекающего через индуктор под воздействием опорного напряжения U₀, поступающего от шины 20 через ключ 7, фильтр 8 и переключатель вектора магнитной индукции 9. Сигнал с инверсного выхода формирователя 2 в это же время поступает на второй вход элемента "И" 3, запрещая работу генератора тактовых импульсов 4. По окончании запускающего импульса сигнал с инверсного выхода формирователя 2, проходя через схему "И" 3, разрешает работу генератора 4, по сигналам которого формирователь двоичной импульсной последовательности 5 начинает выдавать на выход периодически повторяющуюся последовательность единиц и нулей, определяемую выражением (2). Сила тока в индукторе в этот момент уже достигает своего номинального значения. Двоичная импульсная последовательность, вырабатываемая формирователем 5, пройдя через элемент "ИЛИ" 6, ключ 7, фильтр 8 и переключатель 9, поступает на индуктор 10, поддерживая в нем ток заданной интенсивности I_i.

Импульсы опорной частоты f₀ с генератора 1 поступают также и на формирователь длительности временных интервалов 14, который по завершении очередного интервала времени t_i формирует импульс, поступающий на счетчик адресов 15, в результате чего значение кода в последнем возрастет на 1, что приводит к выбору очередных ячеек в блоках памяти кодов длительностей запускающих импульсов 11, кодов длительностей временных интервалов 13 и кодов полярностей вектора индукции магнитного поля 12 и, кроме того, к переходу на очередную двоичную последовательность в формирователе двоичных последовательностей 5. Импульс завершения очередного временного интервала t_i с небольшой задержкой, определяемой блоком 16, поступает, если сигнал разрешения работы 19 остается активным, через элемент "ИЛИ" 18 на запускающий вход формирователя запускающих импульсов, и процесс формирования сигналов магнитотерапевтического воздействия начинается сначала.

Количество кодовых слов в блоках памяти 11, 12, 13 и количество двоичных последовательностей в формирователе 5 одинаковы и равны коэффициенту пересчета счетчика адресов 15, поэтому записанная в память последовательность сигналов циклически повторяется до тех пор, пока сигнал "Пуск" 19 остается активным. Кроме непрерывного режима работы возможен прерывистый, определяемый сигналом 19. В частности, периодичность магнитотерапевтического воздействия может быть синхронизирована биоритмами (пульс, -ритм и т.п.) пациента.

Блоки устройства 212 (на фиг.3 обведены штриховой линией) представляют собой один канал формирования магнитного воздействия. Для реализации многоканального варианта построения устройства необходимо простое параллельное наращивание аналогичных каналов формирования.

Таким образом, предложенный способ и устройство для его осуществления обеспечивают поддержание постоянной скорости нарастания фронта магнитного воздействия (скорости изменения вектора магнитной индукции) как при больших, так и при малых уровнях токов в индукторах, что позволяет добиться более высокого лечебного результата.

Источники информации

1. Авт. свид. СССР 1498504, кл. А 61 N 2/04, 1989.

2. Патент РФ 2007198, кл. А 61 N 2/02 1994.

3. Патент РФ 2090217, кл. А 61 N 2/00 1997.