П3.1.1. Формирователь терапевтических частот с пульсомером и моделирование его элементов

 

Макет прибора состоит из датчика биологической обратной связи в виде пульсомера, формирователей терапевтических (лечебных) частот, жидкокристаллического индикатора, накожных электродов для цеппинга и усилителя мощности с переключаемой нагрузкой в виде повышающего импульсного трансформатора для ЧЭНС и двух встроенных индукторов-электромагнитов для низкочастотной магнитотерапии.

Пульсомер выполнен на принципе модуляции светового потока светодиода Ds пульсацией крови пальца, размещаемого между светодиодом и фотосопротивлением СФ3 (см. рис. П3.1.3, а). Для стабилизации тока светодиода (около 4 мА) используется стабилизатор тока на транзисторе Т1. В качестве источника света может также использоваться настольная лампа или естественное освещение (в солнечный день), что позволяет в этом случае отключать светодиод ключом S. Нагрузка фотосопротивления  R2 совместно с конденсатором C1a образуют первый низкочастотный фильтр наводимой на биообъект помехи 50 Гц и импульсных помех по цепи питания при коммутации идукторов-электромагнитов.

Основное усиление сигнала датчика пульса обеспечивается усилителем U1, параметры цепи отрицательной обратной связи  которого (элементы R6, R5, C2, C3) выбраны из условия максимального подавления указанных помех путем моделирования в среде EWB (результаты моделирования показаны на рис. П3.1.3, в, г). Выходной сигнал усилителя через транзисторный ключ на Т2 (в исходном состоянии он открыт за счет теплового тока перехода коллектор-база) и разъем Х1 передается в основной блок прибора (рис. П3.1.4), в котором сопротивление нагрузки R10 и конденсатор C9 выполняют роль элементов дополнительной фильтрации сигнала.

Через разъем Х1 в основной блок подается также напряжение +12 В для подзарядки аккумулятора через токоограничивающий резистор R9 и шину Е. Подключение источника +12 В производится через отдельную контактную группу 1Х0 («папа») и 2Х0 («мама») от старых малогабаритных разъемов.

 

 

                         а)                                             б)

  

в)                                    г)

Рис. П3.1.3. Схемы пульсомера (а), включения датчика Холла (б) и результаты моделирования усилителя (в, г)

 

В основном блоке сигнал пульсомера преобразуется в прямоугольные импульсы инвертором U4 (элемент ИЛИ-НЕ) и через R11-C7–фильтр поступает на «инвертор пульса» на U3 (элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ) с переключателем 6П1, при разомкнутом состоянии которого выполняется операция суммирования по модулю два 1 Å 1 = 0 (инверсия сигнала пульса), а в замкнутом — 0 Å 1 = 1 — без инверсии. Далее сигнал проходит на шину Рм, на вход U8 и при наличии разрешения с триггера U7 — на вход счетчика пульса на U15—U18 по шине Сп (см. рис. П3.1.5).

Одновременно сигнал пульса, поступая на входы 9 и 12 U4, через схему И на D4 и при единичном состоянии триггера U7.2 (обозначение шина 1/7 — это номер вывода/номер микросхемы) разрешает работу мультивибратора цеппинга на элементах U2, D2, D3, R14, R15 и с помощью элемента И на D5 и R16 запрещает поступление сигналов F магнитостимуляции в цепь управления индукторами (элементы U2, эмиттерный повторитель на T3 и R17, выходной ключевой каскад на T4 и R18). Использование двух элементов U2 объясняется исключением открытого состояния ключа на Т4 в паузе (при работе мультивибратора цеппинга), что позволяет уменьшить потребляемую мощность и нагрев Т4. При переводе через заданное время (см. ниже) триггера U7.2 в нулевое состояние (на шине 1/7 — логический ноль) запрещается работа мультивибратора и разрешается  работа цепи привода индукторов. Таким образом, в зависимости от состояния выхода 1/7 триггера U7.2 на пациента подаются сигналы цеппинга (через клеммы Ц1 и Ц2) или сигналы магнитостимуляции, причем в пульсе или в паузе между пульсами (в зависимости от положения переключателя 6П1).

Если ключ 7П1 находится в разомкнутом состоянии (как показано на схеме), то на S-вход 6 триггера U7.2 через R22 подается сигнал логической единицы (+9 В) и в этом случае разрешается работа только магнитостимулятора, поскольку U7.2 будет постоянно находиться в единичном состоянии.

Индикация режимов электро- и магнитостимуляции производится  миганием децимальных точек соответственно первого и второго разрядов индикатора ИЖЦ5-4/8, что осуществляется подачей на его выводы 17 и 13 сигналов стимуляции по шинам F2 и F1 через элементы U3 (см. рис. П3.1.5).

К коллектору транзистора Т4 (шина М1) переключателем П1 могут быть подключены: трансформатор Тр (4П1) от транскутанного электронейростимулятора ЭТНС-100 (разработка КБТочмаш); малый электромагнит Мм (1П1), в качестве которого используется электромагнитная система от поляризованного реле РПС45-1-ОС (паспорт РС4.520.755-16, сопротивление обмотки 2´800 Ом, индукция постоянного магнитного поля непосредственно у полюсов В = 5 мТл); большой электромагнит Мб (2П1, электромагнитная система от поляризованного реле РПВ2/7, паспорт РС4.521.955, сопротивление обмотки 2´510 Ом, индукция постоянного магнитного поля В = 50 мТл); активная нагрузка R34 — для подключения внешнего усилителя мощности (например, для подключении виброфонов типа ВИТАФОН-Т), ИК-излучателя (в ВИТАФОН-2, DETA QUANTUM) и др.); диода D6 (1П1) — для подавления ЭДС самоиндукции и тем самым изменения формы сигналов магнито- и электростимуляции; резистора R20 (5П1) — для уменьшения уровня выходных сигналов.

Переменная составляющая магнитного поля на частоте 100 Гц  при напряжении питания 7 В и выключенном R20 (при замкнутом 5П1): для РПС45-1-ОС — 3 мТл (амплитудное значение), для РПВ2/7 — 10 мТл. Как и в случае постоянной составляющей, измерения проводились непосредственно у полюсов электромагнитов  датчиком Холла SS495А2 компании Honeywell (чувствительностью 3,125 мВ/Гс = 3,125×10^–4 мВ/Тл) с включением по схеме на рис. П3.1.3, б, где в качестве регистратора использовался осциллограф, подключаемый к зажимам 1, 2.

Источником сигналов стимуляции и управления является часовая ИМС U5, на которой выполнен генератор тактовой частоты (элементы R23, R24, C11, C12 и кварц Q на 32768 Гц), счетчики секунд (выход 4) и минут (вход 7 и выход 10), а также источники сигналов 128 Гц (используются только три из 4-х — выводы 1, 2 и 15).

После включения питания на выходе R13-C8–цепи формируется сигнал Rs, под действием которого триггер U7.1 переводится в единичное состояние и тем самым блокируется работа счетчика минут U5 по R-входу 9. Кроме того, сигналом Rs через диод D6 по шине R производится обнуление счетчиков U9, U12—U15 и счетчика секунд U5, после чего секундные импульсы с U5 через U8 (на ее входе 9 — разрешающий сигнал логического нуля с инверсного выхода 12 триггера U7.1) начинают поступать на вход 10 счетчика U9.1, что индицируется децимальной точкой 5 4-го разряда ЖК-индикатора путем подачи логической единицы с 13/7 через элемент И (на D15, R28) и U6 (см. рис. П3.1.5).

Через 8 сек на выходе 14 U9.1 формируется положительный импульс, который через U8 переводит транзисторный ключ на Т5 в закрытое состояние, а триггер U7.1 — в нулевое за счет формирования логической единицы на его R-входе 10 (по цепи +9В-R21). При этом через конденсатор С10 на шину сброса R поступает сигнал обнуления всех счетчиков, триггер U7.2 по с-входу 3 переводится в единичное состояние (на выходе 1/7 — логическая 1), деблокируются счетчик минут U5 (на его R-входе 9 сигнал логического нуля) и элемент ИЛИ-НЕ U8, в результате чего сигналы пульсомера Рм начинают поступать по шине Сп на вход счетчика U11—U14 и одновременно на выходной каскад магнитостимулятора, поскольку логической единицей с 1/7 закрывается диод D5 и по входу 8 U4 блокируется работа мультивибратора цеппинга.

Через 1 мин на ЖК индицируется пульс (количество импульсов за минуту), на выходе 10 U5 формируется положительный сигнал, который задним фронтом через U6 переводит U7.1 по с-входу 11 в единичное состояние, поскольку на D-входе 9 U7.1 постоянно присутствует сигнал логической единицы (+9В), и далее процесс повторяется, т. е. наступает пауза в 8 с (время индикации результата измерения пульса), после чего производится перевод U7.1 в нулевое состояние. Поскольку при этом триггер U7.2 также переводится в нулевое состояние (на 1/7 — напряжение нуля), то в этом случае деблокируется работа мультивибратора и блокируется работа магнитостимулятора. Таким образом, время электро- и магнитостимуляции и паузы между ними составляет 1 мин и 8 с соответственно.

 

Рис. П3.1.4. Схема формирователя сигналов стимуляции и управления

 

Формирование минутного интервала имеет некоторые особенности. Дело в том, что на выходе 10 U5 «минутный» импульс длительностью 20 с появляется через 40 с после обнуления счетчика минут. Если использовать этот импульс в «чистом» виде, то время измерения пульса составит 40 с, поскольку срабатывание U7.1 происходит по переднему (положительному) фронту этого импульса. Для получения «полного» минутного интервала используется элемент U6: в первые 40 с он выполняет операцию 1 Å 0 = 1, в оставшиеся 20 с — операцию 1 Å 1 = 0 и затем операцию 1 Å 0 = 1, которая и обеспечивает положительный перепад 0–1 и, следовательно, срабатывание U7.1 через 60 с.

Рис. П3.1.5. Схема блока индикации и цоколевка ЖК-дисплея

 

Описанный процесс иллюстрируется моделью на рис. П3.1.6, а, содержащей элемент 1 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (прототип U6), к одному входу которого подключен источник логической единицы +5V, а ко второму — источник прямоугольных импульсов Us с коэффициентом заполнения 33% (скважность ~3), имитирующий сигнал на выходе 10 U5. Из осциллограмм на рис. П3.1.6, б видно, что сигнал срабатывания триггера U7.1 (переход 0–1, отмеченный крестиками) в выходном сигнале Um элемента 1 сдвигается на 1/3 периода.

Источниками терапевтических и управляющих сигналов являются (см. рис. П3.1.4):

1. Автогенератор (мультивибратора) цеппинга, схема которого за счет наличия разделительных диодов D2 и D3 позволяет формировать на выходных зажимах Ц1—Ц2 прямоугольные импульсы длительностью Ти = 0,8×R15×C9 = 0,8×100×10³×100×10^–12 = 0,8×10^–5 с = 8 мкс и паузой Тп = 0,8×Rп×C9, где Rп — сопротивление пациента между запястьями его рук. Если принять, что Rп находится в пределах 100—300 кОм (измерения проводились на постоянном токе), то Тп может меняться в пределах 8—24 мкс, т. е. частота терапевтического сигнала F2 = 1/(Ти + Тп) = 62,5—31,25 кГц. Экспериментально полученное значение колеблется в пределах 24—32 кГц.

Таким образом, частота цеппинга является функцией кожного сопротивления пациента. Является ли этот признак элементом биологической обратной связи и насколько он полезен? — на этот вопрос ответить трудно, поскольку автору неизвестны работы по его исследованию. Единственной ссылкой мог бы служить прибор ГОМЕОТОН (см. gomeoton.ru или antiparazit.ru), в котором после его включения в течение 20 с идет настройка на оптимальную частоту для данного пациента в диапазоне 28…35 кГц с помощью наручных электродов, после чего через эти же электроды 7 мин подаются прямоугольные импульсы «оптимальной» частоты и затем 2 мин импульсы магнитостимуляции с частотой около 8 Гц (частота Шумана!?). Вся процедура занимает около 28 мин и заключается в троекратном повторении следования указанных сигналов. На вопрос ведущему разработчику по медицинской части, что измеряется и какой алгоритм определения «оптимальной» частоты, автор ответа не получил.

Из приведенных сведений по прибору ГОМЕОТОН видно, что в нем используются одна из основных частот Шумана и элементы методики Хильды Кларк (причем с непозволительными нарушениями: см. разд. П3.1.4), хотя на сайте разработчика об этом — ни слова. Мало того, при разрешении на выпуск прибора в апреле 2008 года по состоянию на 1 сентября 2008-го на сайте уже было «собрано» 170 (!) захлебывающихся от восторга отзывов чуть ли не со всех стран ближнего и дальнего зарубежья (и это при цене в 12500 рублей!), а также объявлены адреса более 20 дилеров в этих странах. Заметим в связи с этим, что на упоминавшемся выше сайте разработчика приборов серии ВИТАФОН, которые выпускаются более 10 лет (общим тиражом более миллиона), имеется только два отзыва (!).

2. Два сигнала частотой 128 Гц скважностью 4, обозначенных как 128.1 и 128.2 и сдвинутых относительно друг друга на полпериода. Эти сигналы снимаются с выходов 1 и 2 U5 и могут коммутироваться переключателями 1П3 и 2П3 между собой и с другими сигналами с использованием 7-входовой схемы ИЛИ на элементах D7—D13 и R31, что позволяет получить различные наборы частот различной скважности. Например, при замыкании ключей 1П3 и 2П3 получаем удвоенную частоту. Схема модели для этого случая (рис. П3.1.6, в) состоит из двухвходовой диодной схемы ИЛИ (элементы D1, D2, R), к одному входу которого подключен источник прямоугольных импульсов U2 с коэффициентом заполнения 0,25 (скважность 4), а ко второму — источник U1 с коэффициентом заполнения 0,75 (скважность 1,(3)) и элемент НЕ 1 с параметрами задержки переднего фронта Tplh = 0,75 c и заднего Tphl = 0,25 c, устанавливаемых в диалоговом окне элемента. Такое построение схемы модели и выбор параметров ее элементов позволяет получить на входах ИЛИ два колебания со скважностью 4 и сдвинутых относительно друг друга на полпериода, а на ее выходе — прямоугольные колебания типа меандр (скважность 2) удвоенной частоты (см. осциллограммы U1 и Uo на рис. П3.1.6, г).

 

                

 

                                                                                     a)                                                  б)

     

                                                                                               в)                                        г)

Рис. П3.1.6. Схемы моделей формирователя минутного интервала и удвоителя частоты

 

3. Набор сигналов частотой 64, 32, 16, 32 Гц и скважностью 2, формируемых на выходах 3, 4, 5 и 6 счетчика U9.2 и поступающих через диоды D9—D12 на переключатели частот 3П3—6П3. Кроме того, сигнал частотой 64 Гц поступает на подсветку элементов ЖК-индикатора (см. рис. П3.1.5).

4. Набор частот, формируемых десятичным счетчиком U10 с дешифратором и поступающих через разделительные диоды D13 и D14, переключатели 1П4, 2П4 и U4 на шину F. При этом сигналы с уменьшенными в 10 раз частотами, поступающие с выхода 9 U10, имеют скважность 8.

5. При замкнутых 1П4 и 2П4 суммарный сигнал имеет форму периодической последовательности с импульсами разной длительности, определяемой их скважностью в исходных сигналах. Аудиоконтроль сигналов на выходк F осуществляется пьезоизлучателем В.

Конструктивно макет прибора выполнен в корпусе транскутанного электронейростимулятора ЭТНС-100 (фото на рис. П3.1.7), модернизацией которого автор с сотрудниками занимался в 1990 г. по части введения биологической обратной связи с помощью датчика дыхания. От этого аппарата, как уже говорилось, использован выходной трансформатор, а также электроды из токопроводящей резины для цеппинга с гибким матерчатым браслетом и креплением из «тянучки». В качестве электродов использовались также посеребренные латунные пластинки размером 20 ´ 25 мм из корпуса реле РПВ2/7. Они были обшиты тонкой материей, которая смачивалась водой перед процедурой. При использовании пульсомера палец вставляется в боковой проем подушечкой к фотосопротивлению и ногтем к светодиоду. В режиме цеппинга использование пульсомера исключается, поскольку из-за паразитных емкостных связей срываются автоколебания мультивибратора.

 

 

Рис. П3.1.7. Фотография макета прибора