Способ оценки состояния биологических тканей и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к медицине и медицинской технике, в частности к функциональной диагностике. Изобретение может применяться при проведении диагностических исследований различных патологических состояний человека с поверхности тела, не нарушая целостности организма. Изобретение позволяет получать достоверную информацию о состоянии биологической ткани путем устранения временного интервала между моментами измерений и упрощения (миниатюризации) конструкции устройства по сравнению с устройством-прототипом. Сущность: для оценки состояния биологических тканей в качестве измерительного сигнала, которым воздействуют на биологическую ткань, используют стабилизированный измерительный ток одновременно высокой и низкой частот. Для осуществления данного способа в общую схему устройства введены фильтры высокой и низкой частоты, сумматор, выпрямитель отрицательной обратной связи (ООС) и фильтр низкой частоты ООС, а источник напряжения переменной частоты выполнен в виде двух управляемых генераторов соответственно высокой и низкой частоты. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области медицины и медицинской техники, в частности, к средствам определения состояния биообъектов кондуктометрическими методами.

Известны способа и устройства для определения состояния биологических тканей и жидкостей путем измерения модуля полного электрического сопротивления (а.с. N 1367938, а.с. N 1821135, пат. РФ N 2033078, А.Ф.Алейников с соавт. Портативный кондуктометр "Тонус-2". Контроль и диагностика сельскохозяйственных объектов. Сб. научн. тр. Новосибирск. 1981. С. 16-22). В большинстве технических решений достоверность получаемой в результате измерений информации значительно снижается за счет разницы во времени измерения.

Известно устройство для измерения рыхлости эпителиальной ткани кишечно-желудочного тракта на основе определения модуля полного электрического сопротивления эпителиальной ткани (пат. РФ N 2026004, кл. A 61 B, 5/05).

Однако данное устройство позволяет получить сведения о состоянии биологической ткани по степени различия между модулями полного электрического сопротивления, измеренного поочередно на низкой и высокой частотах, что не обеспечивает получения достоверной информации о неизменном состоянии исследуемого участка ткани. К тому же устройство не позволяет автоматически измерить такой информационный кондуктометрический показатель, как коэффициент поляризуемости биоткани. Более того, в схему включено устройство защиты пациента от поражения электрическим током, что, по всей вероятности, вызвано использованием источника сетевого питания. Необходимость в устройстве защиты значительно усложняет электронную схему измерителя.

Данное техническое решение принято нами за прототип устройства.

Известен способ измерения модуля полного электрического сопротивления биоткани на низкой и высокой частотах, разнесенных не менее чем на порядок, вычислений коэффициента поляризации на основе соотношения величин сопротивления на разных частотах. За критерий оценки состояния биологической ткани принимают цифровой результат отношения модулей полных сопротивлений на низкой и высокой частотах. (Ю.В.Торнуев с соавт. Электрический импеданс биологических тканей. М. 1990. С. 36-38, 46-48). Однако данный способ не позволяет получить достоверную информацию о неизменном состоянии биоткани за счет поочередного измерения полного электрического сопротивления биоткани на разных частотах.

Данное решение принято нами за прототип заявленного способа.

Целью изобретения является повышение достоверности информации о состоянии биоткани путем устранения временного интервала между моментами измерений и миниатюризация конструкции.

На чертеже представлена блок-схема устройства.

Поставленная цель достигается тем, что измеряют модуль полного электрического сопротивления биоткани на высокой и низкой частотах, разнесенных не менее чем на порядок, причем на исследуемый участок подают суммарное напряжение переменного тока, т. е. на биоткань воздействуют одновременно измерительным током высокой и низкой частоты, а за критерий оценки принимают цифровой результат отношения модулей полных сопротивлений на низкой и высокой частотах.

Заявляемое устройство включает источники напряжения переменной частоты, электроды, стабилизатор тока, усилитель, детекторы высокой и низкой частоты, выходы которых подключены соответственно ко входам преобразователя отношения напряжений, выполненного в виде аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выход которого соединен с входом цифрового индикатора, и автономный источник питания. Помимо этого, в устройство введены два фильтра низкой и высокой частоты, сумматор, выпрямитель отрицательной обратной связи и фильтр низкой частоты отрицательной обратной связи. Источник напряжения переменной частоты выполнен в виде двух управляемых генераторов соответственно низкой и высокой частоты, выходы которых подключены ко входам смесителя, выход которого через выпрямитель и фильтр низкой частоты отрицательной обратной связи подключен к управляющим входам генераторов низкой и высокой частоты, а через стабилизатор измерительного тока он соединен с первым электродом, выход усилителя через фильтры низкой и высокой частоты соответственно соединен со входами детекторов низкой и высокой частоты, при этом вход усилителя соединен с первым электродом, а второй электрод подключен к общей шине устройства.

Заявленный способ реализуется данным устройством. На исследуемый участок накладываются электроды, на биоткань исследуемого участка воздействуют измерительным сигналом, измеряют модули полных электрических сопротивлений на низкой и высокой частотах, разнесенных не менее чем на порядок, определяют коэффициент поляризации и по нему оценивают состояние биологических тканей, при этом в качестве измерительного сигнала используют стабилизированный измерительный ток одновременно высокой и низкой частоты.

Известно, что при увеличении частоты измерительного тока комплексное сопротивление биоткани уменьшается. Это явление, получившее название дисперсии сопротивления, является свойством живой клетки, ткани и обусловлено поляризацией тканей. Смерть биообъекта исключает дисперсию его сопротивления и, следовательно, способность ткани к поляризации. На частотах, равных 10 кГц и выше, биообъект имеет максимальную электропроводность (Б.Н.Тарусов. Биофизика. М. Высшая школа. 1968). Увеличение электропроводности происходит за счет уменьшения емкостной составляющей комплексного сопротивления, т.е. на высоких частотах в биообъекте преобладает активная составляющая комплексного сопротивления, при низких частотах прямому переносу носителей препятствуют определенные структуры ткани или субклеточные мембраны. Дисперсия сопротивления и объясняется присутствием поляризационных явлений в биообъекте. При измерении на высоких частотах поляризационные явления не возникают. При ухудшении состояния биообъекта, при отмирании ткани уменьшается ее способность к поляризации. Именно поляризация и несет информацию о состоянии биообъекта: коэффициент дисперсии определяется по соотношению сопротивления, измеренного на низкой частоте, к сопротивлению, измеренному на высокой частоте. Но при поочередном измерении модулей полного электрического сопротивления на низкой и высокой частотах неизбежно происходит потеря ("сбой") информации, ведущая к недостаточной достоверности результата. Воздействие суммированным напряжением переменного тока, состоящим из напряжений высокой и низкой частоты, позволяет избежать этих потерь информации. Таким образом, изобретение соответствует критерию "существенные отличия".

Устройство для оценки состояния биологических тканей состоит из двух источников напряжения переменной частоты 1, 2, двух электродов 3а, 3б, исследуемой биоткани 4, сумматора 5, выпрямителя отрицательной обратной связи 6, фильтра низкой частоты 7, стабилизатора измерительного тока 8, усилителя 9, фильтра ВЧ 10 и фильтра НЧ 11, выпрямителя ВЧ 12, выпрямителя НЧ 13, преобразователя отношения напряжений 14, выполненного в виде аналого-цифрового преобразователя, цифрового индикатора 15, автономного источника питания (на блок-схеме не показан). Для устранения временного интервала между моментами измерений на высокой и низкой частоте источники напряжения выполнены в виде двух управляемых генераторов соответственно высокой и низкой частоты 1, 2 и сумматора 5, в выходном напряжении которого присутствуют составляющие низкочастотного и высокочастотного напряжения переменного тока. Для стабилизации амплитуды выходного напряжения сумматора 5 между выходом сумматора 5 и входами генераторов 1, 2 включена отрицательная обратная связь (выпрямитель 6 и фильтр низкой частоты 7). Отрицательная обратная связь необходима для стабилизации напряжения сумматора 5 путем воздействия на выходные напряжения генераторов высокой и низкой частоты. Фильтр низкой частоты отрицательной обратной связи введен для устранения пульсаций, присутствующих в выходном напряжении выпрямителя отрицательной обратной связи 6. Стабилизированный источник тока 8 позволяет поддержать значение измерительного тока, протекающего через биологическую ткань, не превышающим требования международного стандарта (МЭК 601-1. Изделия медицинские электрические. Ч. 1. ВНИИМП. М. 1988. С. 66).

Способ по изобретению реализуется следующим образом. На исследуемый участок биоткани накладываются два электрода 3а, 3б на фиксированном расстоянии между ними. С выхода стабилизатора тока через электроды измерительный сигнал поступает на биоткань 4 в виде суммы напряжений переменного тока высокой и низкой частоты. При одновременном воздействии измерительным током высокой и низкой частоты происходит проникновение тока как в клеточные, так и в межклеточные структуры биологической ткани. Так как через биоткань протекает переменный измерительный ток, не зависящий от величины ее сопротивления, то падение напряжения между электродами пропорционально значению модуля полного электрического сопротивления. Функциональное состояние биологической ткани оценивается по отношению сопротивления, измеренного на низкой частоте, к сопротивлению, измеренному на высокой частоте, т.е. по коэффициенту дисперсии. Диапазон измерения от 20 до 2000 ОМ с основной относительной погрешностью где N_пред верхняя граница диапазона измерений, N_изм - измеренное значение сопротивления.

Суммированное напряжение переменного тока, состоящее из напряжения высокой частоты и напряжения низкой частоты, позволяет избежать потери информации в интервале между измерениями и выражается формулой: где U_с выходное суммарное напряжение сумматора, K_с - коэффициент усиления сумматора.

Устройство работает следующим образом. С выхода стабильного источника тока 8 через электроды 3а, 3б измерительный сигнал непрерывно поступает на биологическую ткань 4. Так как через биоткань протекает переменный ток, не зависящий от величины ее сопротивления, то падение напряжения между электродами пропорционально значению модуля полного электрического сопротивления. Падение напряжения на биоткани поступает на вход усилителя 9, с выхода которого оно поступает одновременно на входы фильтра низких частот 11 и фильтра высоких частот 10. С выхода фильтров 10, 11 переменные напряжения низкой и высокой частоты поступают на входы детекторов 12, 13. На выходе детектора высокой частоты 12 формируется постоянное напряжение, пропорциональное сопротивлению Z_вч (f=200 кГц), на выходе детектора низкой частоты 13 формируется постоянное напряжение, пропорциональное сопротивлению Z_нч (f=2 кГц). С выходов детекторов постоянные напряжения поступают на входы преобразователя отношения напряжений 14, выполненного в виде аналого-цифрового преобразователя. На выходе АЦП 14 формируется цифровая информация, пропорциональная отношению модулей полных сопротивлений на низкой и высокой частотах, т.е. информация о коэффициенте поляризуемости биологической ткани по формуле: КП биоткани Z_нч/Z_вч.

Проведенные нами многочисленные исследования позволили оценивать различные состояния биологической ткани по коэффициенту поляризуемости в следующих границах: при КП до 1,8 злокачественные образования, при КП 1,81-1,9 доброкачественные образования, при КП 1,92-2,0 норма.

Пример 1. Больной С. 48 лет. Обследован амбулаторно. При гастроскопии в антральном отделе желудка со стороны малой кривизны выявлен плоский язвенный дефект размером до 8 мм. Края недостаточно четкие, дно фибринозное, инфильтрации желудочной стенки при инструментальной пальпации не определяется. Привратник отечен, несколько деформирован, его слизистая гиперемирована. Эндоскопический диагноз: язва антрального отдела желудка.

Проведено измерение электрического сопротивления в двух противоположных краях язвы с определением коэффициента поляризуемости ткани: в точке 1 КП 1,7, в точке 2 КП 1,82. Из исследуемых точек взята биопсия. В точке 1 (КП= 1,7) гистологически выявлено злокачественное перерождение слизистой (гранулирующий рак желудка). В точке 2 (КП=1,82) хроническое воспаление.

Пример 2. Больной Б. 62 г. Проведена обычная гастроскопия. Визуально: натощак в просвете желудка много мутной слизи. По малой кривизне в средней трети желудка выявлено экзофитное, гребневидное образование до 2 см в диаметре. Ткань плотная, кровоточивая, складки конвергируют к основанию экзофита. При взятии биопсии ткань фрагментируется. При инструментальной пальпации определяется ригидность ткани в зоне до 2 см от основания опухоли.

Проведено измерение электрического сопротивления. При одновременном воздействии измерительным током высокой и низкой частоты функциональное состояние желудка соответствует показателю КП=1,8 злокачественное образование. Полученный результат подтвержден эндоскопическим исследованием: экзофитный рак желудка 2А-2Б степени.

Для сопоставления проведено измерение электрического сопротивления способом по прототипу: при раздельном измерении сначала на высокой частоте (236 Ом), затем с интервалом в 14-15 с на низкой частоте (440 Ом) показатель КП= 440:235=1,86, что соответствует доброкачественному образованию.

Пример 3. Больной Т. 64 г. Предъявляет жалобы на опухоль в области шеи. Объективно при пальпации в области левой доли щитовидной железы выявляются узловатые образования.

Клинический диагноз: узловой зоб. Проведена операция. В ходе оперативного вмешательства выявлены 3 узла в области левой доли щитовидной железы размерами 0,2-0,5 см. Узлы подвижные, средней плотности.

Проведено измерение электрического сопротивления по заявленной в изобретении технологии. В результате измерений в 1 узле КП=1,83, во 2-ом КП=1,9, в 3-ем КП=1,7.

Результаты импедансометрии позволяют установить диагноз: рак щитовидной железы. Гистологически аденокарцинома.

Формула изобретения

1. Способ оценки состояния биологических тканей, включающий наложение электродов на исследуемый участок, воздействие на него измерительным сигналом, измерение модулей полых электрических сопротивлений на низкой и высокой частотах, разнесенных между собой не менее, чем на порядок, определение коэффициента поляризации и оценку по нему состояния биологической ткани, отличающийся тем, что в качестве измерительного сигнала используют стабилизированный измерительный ток одновременно высокой и низкой частоты.

2. Устройство оценки состояния биологических тканей, содержащее источник напряжения переменной частоты, электроды, стабилизатор измерительного тока, усилитель, детекторы высокой и низкой частоты, выходы которых подключены соответственно к входам преобразователя отношения напряжений, выполненного в виде аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом цифрового индикатора, и автономный источник питания, отличающееся тем, что в него введены два фильтра соответственно высокой и низкой частоты, сумматор, выпрямитель отрицательной обратной связи и фильтр низкой частоты отрицательной обратной связи, а источник напряжения переменной частоты выполнен в виде двух управляемых генераторов соответственно низкой и высокой частоты, выходы которых подключены к входам сумматора, выход которого через выпрямитель и фильтр низкой частоты отрицательной обратной связи подключен к управляющим входам генераторов низкой и высокой частоты, а через стибилизатор измерительного тока соединен с первым электродом, выход усилителя через фильтры низкой и высокой частоты соответственно соединен с входами детекторов низкой и высокой частоты, при этом вход усилителя соединен с первым электродом, а второй электрод подключен к общей шине устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1