Elektrostymulator

Przenośny elektrostymulator mięśniowy TENS

Wprowadzenie

Celem projektu było zbudowanie w pełni funkcjonalnego przenośnego elektrostymulatora do realizacji elektroterapii TENS. Docelowym działaniem tego typu stymulatorów jest zapobieganie bólowi poprzez elektrostymulację nerwów w okolicach ognisk bólowych. Jako zalety tej terapii można uznać:

  • Nieinwazyjność;
  • Uniwersalność zastosowań dla różnych rodzajów bólu, przez odcinanie połączenia ogniska bólowego z resztą organizmu;
  • Prosta obsługa;
  • Skrócenie czasu rehabilitacji i ograniczenie komplikacji po urazach;
  • Substytut leków przeciwbólowych;
  • Dodatkowo, prezentowane urządzenie będzie miało formę przenośną, co znacznie poszerzy jego wszechstronność i zakres zastosowań.

Mechanizm działania TENS

Reakcja ludzkich tkanek na ładunki elektryczny opiera się na zjawisku potencjału czynnościowego pojedynczej komórki. Jest to przejściowa zmiana polaryzacji spowodowana bodźcem zewnętrznym. Proces polaryzacji aktywowany jest po przekroczeniu potencjału progowego (ok. -70mV). Następnie następuj proces repolaryzacji, podczas którego potencjał błony wraca do wartości początkowej. Pobudzenia mające na celu realizację TENS mają za zadanie pobudzanie grup komórek nerwowych, a wręcz tłumić ich normalne działanie, w takim wypadku użyte napięcie pobudzające powinno być odpowiednie większe od potencjału progowego.

TENS (Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation), czyli przezskórna stymulacja nerwów jest szeroko stosowaną metodą leczenia bólów układu mięśniowo-szkieletowego. Przezskórne pobudzanie nerwów sensorycznych wywołuje natychmiastowy i wydłużony efekt uśmierzania bólu dzięki uruchomieniu dwóch fizjologicznych mechanizmów przeciwbólowych: uwalnianie endorfin i blokada bramki bólowej. Metoda ta stosowana jest w elektrostymulatorach, które wysyłają impulsy elektryczne o niskiej amplitudzie do nerwów obwodowych. Impuls przewodzony jest przez skórę. Impulsy TENS o wyższej częstotliwości blokują impulsy nerwowe, które „niosą” informację o bólu do mózgu. W momencie ich zablokowania informacja nie dociera do mózgu, więc zastosowanie tej metody jest zasadne w momencie konieczności działania przeciwbólowego. Z kolei impulsy o niższej częstotliwości powodują wydzielanie się naturalnych związków przeciwbólowych, czyli beta-endorfin. TENS nie leczy przyczyny bólu, lecz wpływa na zmniejszenie jego odczuwania.

Zbudowany prototyp

Skonstruowany prototyp zezwala na generację sygnału naprzemiennie na jednej z pięciu elektrod. Układ składa się z trzech modułów:

  1. Mikrokontrolera – jednostki sterującej i generującej sygnał.
  2. Układu transmisji i wzmacniania sygnału.
  3. Zestawu elektrod do stymulacji TENS.

Cały system jest sterowany poprzez mikrokontroler, który będzie posiadał zarówno zaprogramowane wcześniej tryby pracy jak i możliwości manualnego ustawienia parametrów pracy. Dodatkowo układ został wyposażony w pokrętła do manualnego dostrojenia intensywności generowanych impulsów. Zasilanie realizowane jest poprzez pojedynczą baterię 9V. Dzięki modułowej konstrukcji możliwa jest łatwa modyfikacja poszczególnych fragmentów układu (np. maksymalnej liczby elektrod). Po przeprowadzeniu serii testów możliwa jest skuteczna elektrostymulacja TENS, która ma działanie przeciwbólowe.

Sterowanie

Idea systemu wykonawczego opiera się na schemacie slave-master. Slave, czyli układ wykonawczy, jest prostym systemem opartym o mikrokontroler Arduino. Jego zadaniem jest wykonanie pobudzenia o zadanych parametrach. Master, czyli komputer PC, jest odpowiedzialny za wytworzenie konstruktywnego ciągu prostych instrukcji zrozumiałych dla układu wykonawczego. Zapewnia to intuicyjną komunikację pomiędzy użytkownikiem a urządzeniem, bez długiego szkolenia. System ten jest stosowany np. w drukarkach 3D.

Program pozwala użytkownikowi wybrać częstotliwość, wypełnienie oraz czas trwania sygnału. Wybrane sygnały można ułożyć w ciąg pobudzeń, który ma odpowiadać zadanej sekwencji np. muzyce czy filmowi. Sygnał musi być dobrany indywidualnie dla danego użytkownika.

Akcesoria dodatkowe

Realizowany projekt ze względu na swoją modułową budowę jest bardzo łatwo modyfikowalny i ma wiele możliwych ścieżek rozwoju. Na chwilę obecną, w szczególności do celów prezentacji projektu, opracowana została rękawiczka do elektrostymulacji dłoni. Dzięki jej opracowaniu pozycjonowanie elektrod jest prostsze oraz poprawione jest ich przyleganie do skóry. W planach rozwojowych projektu zaplanowane jest opracowanie analogicznych do wspomnianej rękawiczki akcesoriów jak np. (t-shirt lub rękaw na ramię z wbudowanymi elektrodami).