Лекция_Электрическая стимуляция

1.

Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Институт Биомедицинских Систем
Эдуард Адипович Миндубаев
Персонализированные биомедицинские системы
Лекция №3
Электрическая стимуляция в имплантатах

2.

Классификация электрической стимуляции
Электрическая стимуляция может осуществляться с использованием электродов
различного типа, электрических сигналов различной формы и различных режимов
работы устройства электростимуляции.
Классификация:
1. По типу используемых электродов:
– стимуляция при помощи монополярного электрода;
– стимуляция при помощи биполярного электрода.
2. По форме электрического сигнала:
– монофазный сигнал стимуляции;
– двухфазный сигнал стимуляции.
3. По режиму работы устройства электростимуляции:
– стимуляция током (current-mode);
– стимуляция напряжением (voltage-mode):
– стимуляция зарядом (charge-mode).
.
2

3.

Электроды для стимуляции
Рисунок – Электроды, применяемые для стимуляции:
а) монополярный
б) биполярный
в) концентрический биполярный
3

4.

Виды электрической стимуляции
Монополярная стимуляция
Биполярная стимуляция
Электрический ток от устройства стимуляции
протекает через участок стимуляции, затем
течет к «земле» через тело пациента
Электрический ток течет через участок
между двумя электродами, активным (active
electrode)и возвратным (return electrode)
Электрический ток протекает через
значительную часть тела пациента
Путь протекания электрического тока
локализован в области стимуляции
Стимуляции подвергается больший участок
организма
Область стимуляции ограничена
4

5.

Монофазная и двухфазная стимуляция
Рисунок – Монофазный сигнал электростимуляции
Рисунок – Двухфазный сигнал электростимуляции:
а) прямолинейный двухфазный сигнал
б) двухфазная усеченная экспонента
5

6.

Сравнение монофазной и двухфазной стимуляции
В таблице представлены особенности работы дефибрилляторов с монофазной и
двухфазной стимуляцией.
Монофазная стимуляция
Двухфазная стимуляция
Потребляет больше энергии, около 360 Дж
Потребляет меньше энергии, около 200 Дж.
Меньшая энергоэффективность
Большая энергоэффективность
Менее безопасны
Более безопасны
[1] Scholten M., Szili-Torok T., Klootwijk P. Comparison of monophasic and biphasic shocks for transthoracic cardioversion of atrial fibrillation // Heart. – 2003.
Vol.89. – P.1032–1034
6

7.

Стимуляция током
Удобный контроль за величиной заряда, подаваемого в область стимуляции.
Q=IxT
7

8.

Стимуляция напряжением
Простая техническая реализация: интенсивность стимуляция определяется
коэффициентом усиления операционного усилителя.
8

9.

Стимуляция зарядом
9

10.

Сравнение режимов работы стимулятора
Стимуляция током
Стимуляция
напряжением
Стимуляция зарядом
Сложность
конструкции
Сложная
Наиболее
простая из трёх
Простая
Безопасность
Наиболее
высокая из трёх
Низкая
Высокая
Эффективность
Низкая
Наиболее
высокая из трёх
Высокая
10

11.

Уравнивание электрического заряда
При электростимуляции заряд передается от электрода к ткани. Если в течение
длительного периода времени прикладывается большой потенциал, между
электродом и тканью происходит обмен значительным зарядом. В результате
возникают необратимые электрохимические процессы: электролиз, изменение pH
баланса, растворение электродов и разрушение тканей.
Результирующий заряд за период стимуляции должен быть равен нулю.
Технологические несовершенства электронных компонент и интегральных схем
приводят к необходимости применения специальных подходов для уравнивания
электрического заряда.
11

12.

Активное и пассивное уравнивание электрического заряда
Активное уравнивание заряда
Пассивное уравнивание заряда
Для отслеживания остаточного заряда на
переходе «электроды-ткань» используется
система мониторинга.
Повышенное внимание к настройке
периодов заряда и разряда. Для фильтрации
переменного тока можно использовать
конденсатор, установленный
последовательно с электродом.
Нет необходимости в использовании
габаритных реактивных компонент.
Блокирующий конденсатор занимает
значительное место в имплантате.
Параметры сигнала стимуляции во время
периода «разряда» подстраиваются на основе
данных мониторинга
Сложности возникают в связи с
невозможностью управлять временем
разряда блокирующего конденсатора
12