Устройство для импедансометрии живых тканей биологического объекта

 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к электронным устройствам для диагностики заболеваний и использования сердечно-сосудистой системы. Технический результат - расширение эксплуатационных возможностей. Устройство для импедансометрии живых тканей биологического объекта содержит генератор, трансформатор, датчиковое устройство, включающее измерительную катушку индуктивности и конденсатор, у которого один из выводов соединен с одним из выводов измерительной катушки и с потенциальным входным выводом регистратора, а другой - с низкопотенциальным входом выводом регистратора. Генератор выполнен импульсным, к выходу которого подключены соединенные последовательно дополнительные формирователь импульсов и усилитель мощности, у которого выход соединен с входной обмоткой трансформатора. Между потенциальным выводом входной обмотки трансформатора и потенциальным входным выводом регистратора включен конденсатор, второй вывод измерительной катушки соединен с низкопотенциальным выводом выходной обмотки трансформатора и с низкопотенциальным водным выводом регистратора. Регистратор включает последовательно включенные буферный усилитель и два параллельных канала. Первый содержит соединенные последовательно широкополосный усилитель с коэффициентом усиления eπ и первый компаратор, выход которого соединен с первым входом коммутатора. Второй канал содержит второй компаратор, выход которого соединен с вторым водом коммутатора, у которого выход соединен с первым входом счетчика, второй вход которого соединен с выходом генератора, а выход - со схемой индикации, включающей соединенные последовательно дешифратор и индикатор. Предусмотрены три варианта размещения и выполнения обмоток измерительной катушки. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к приборам для функциональной диагностики.

Известно устройство для высокочастотной импедансной реоплетизмометрии, в котором используется потенциометрический метод измерения импеданса живых тканей биологических объектов [1].

Устройство содержит высокочастотный генератор синусоидального напряжения, к выходу которого через дополнительное сопротивление подключено датчиковое устройство, выполненное в виде двух электродов, накладываемых на биологический объект. Параллельно выводам датчика подключен вход измерительного блока, который содержит усилитель высокой частоты, амплитудный детектор и измерительный прибор. Схема обеспечивает измерение основного импеданса биологического объекта Z по амплитуде высокочастотного напряжения.

Существенным недостатком устройства является наличие электродов, размещаемых на биологическом объекте, что приводит к значительному снижению точности измерения величины импеданса из-за больших колебаний электродных потенциалов [1, с.87-103].

В устройстве отсутствует гальваническая развязка измерительной схемы от биологического объекта, что затрудняет выполнение требований по электробезопасности.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для высокочастотной импедансометрии живых тканей биологических объектов [2].

Устройство содержит блок измерения, включающий последовательно соединенные генератор синусоидального высокочастотного напряжения, трансформатор, датчиковое устройство, выполненное в виде двух измерительных катушек индуктивности и регистратор, выполненный в виде вольтметра. Биологический объект при измерении размещается внутри катушки индуктивности. Устройство измеряет импеданс колебательного контура (регистрируется добротность обмотки измерительной катушки) без биологического объекта и с разными биологическими объектами.

Известное устройство применяется для импедансометрии конечностей. Датчиковое устройство содержит две катушки индуктивности, обмотки которых размещены на цилиндрических диэлектрических каркасах. Сдвоенный переключатель на два положения поочередно подключает одну из катушек к потенциальному выводу выходной обмотки трансформатора и к потенциальному входному выводу регистратора.

Конденсатор переменной емкости, включенный параллельно входу регистратора, обеспечивает настройку колебательного контура в резонанс с частотой генератора.

Недостатком известного устройства является то, что оно имеет ограниченные эксплуатационные возможности. Измерение импеданса может проводиться только у биологических объектов, размещенных внутри катушки. Наличие конденсатора переменной емкости требует тщательной настройки колебательного контура, что в конечном результате приводит к снижению точности отсчета и требует значительного времени при исследовании биологического объекта.

Задача изобретения - расширение эксплуатационных возможностей.

Это достигается тем, что в устройстве для импедансометрии живых тканей биологического объекта, содержащем генератор, трансформатор, датчиковое устройство, включающее измерительную катушку индуктивности и первый конденсатор, один вывод которого соединен с первым выводом измерительной катушки и потенциальным входным выводом регистратора, а другой с низкопотенциальным входным выводом регистратора, генератор выполнен импульсным и к его выходу подключены соединенные последовательно дополнительные формирователь импульсов и усилитель мощности, выход которого соединен с первым выводом входной обмотки трансформатора, второй вывод которой подключен к шине нулевого потенциала, между потенциальным выводом выходной обмотки трансформатора и потенциальным входным выводом регистратора включен второй конденсатор, второй вывод измерительной катушки соединен с низкопотенциальным выводом входной обмотки трансформатора и с низкопотенциальным входным выводом регистратора, регистратор выполнен на буферном усилителе, входы которого - являются соответствующими входами регистратора, а выход - подключен ко входам двух параллельных каналов, первый из которых содержит соединенные последовательно широкополосный усилитель с коэффициентом усиления eπ и первый компаратор, выход которого соединен с первым входом коммутатора, а второй канал содержит второй компаратор, выход которого соединен с вторым входом коммутатора, управляющий вход которого подключен к выходу импульсного генератора, а выход - к управляющему входу счетчика, счетный вход которого соединен с выходом импульсного генератора, а выход - через дешифратор со входом индикатора.

Расширение эксплуатационных возможностей предлагаемого устройства достигается также следующим: а) у измерительной катушки обмотка размещена на плоском диэлектрическом каркасе, который выполнен в виде радиально расположенных лепестков с зазором, провод обмотки поочередно огибает соседние лепестки с противоположных сторон, число лепестков каркаса нечетное; б) у измерительной катушки обмотка состоит из двух частей, каждая из которых размещена на отдельном плоском диэлектрическoм каркасе, при этом полуобмотки соединены последовательно и согласно; в) у измерительной катушки обмотка состоит из двух частей, из которых первая размещена на плоском диэлектрическом каркасе, а вторая - на цилиндрическом диэлектрическом каркасе, при этом полуобмотки соединены последовательно и согласно.

Сущность изобретения состоит в том, что для импедансометрии живых тканей биологического объекта используются датчики в виде одной или нескольких измерительных катушек индуктивности.

Обмотки этих катушек являются составной частью параллельного колебательного контура. Измерительная часть устройства измеряет добротность обмотки измерительной катушки с биологическим объектом и без биологического объекта. В устройстве используется метод ударного возбуждения колебательного контура, что позволяет автоматизировать процесс измерения добротности.

Измерительная катушка, выполненная на цилиндрическом каркасе, позволяет проводить импедансометрию конечностей, грудной клетки, головы и т.д. Измерительная катушка, выполненная на плоском каркасе, позволяет проводить импедансометрию печени и почек.

Импедансометрия легких проводится при помощи измерительной катушки, выполненной в виде двух полуобмоток, каждая из которых размещена на плоском каркасе. Для импедансометрии головы наиболее подходит измерительная катушка с двумя полуобмотками, из которых первая размещена на цилиндрическом каркасе, а вторая - на плоском каркасе.

Величина активной составляющей импеданса колебательного контура пропорциональна величине добротности обмотки измерительной катушки и определяется по известным формулам где и - резонансное сопротивление колебательного контура без биологического объекта и с биологическим объектом; F - резонансная частота; L - индуктивность обмотки; Q₁, Q₂ - добротность обмотки без биологического объекта и с биологическим объектом.

Метод ударного возбуждения основан на определении декремента затухания свободных колебаний в параллельном колебательном контуре. Амплитудные соотношения свободных колебаний, следующих друг за другом, строго математически определяются как функция добротности контура, которая связана с числом периодов, укладывающихся во время затухания амплитуды колебаний от значения U₁ до U₂ в интервале времени t₁-t₂.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства для импедансометрии живых тканей биологических объектов; на фиг.2 - измерительная катушка с плоским диэлектрическим каркасом.

Предлагаемое устройство содержит генератор импульсов 1, к выходу которого подключены соединенные последовательно формирователь импульсов 2, усилитель мощности 3 и трансформатор 4.

Для измерения импеданса живых тканей биологического объекта в устройстве применен колебательный контур 5, состоящий из конденсатора постоянной емкости 6 и обмотки измерительной катушки 7.

Потенциальный вывод колебательного контура 5 соединен с потенциальным входным выводом регистратора 8 и посредством конденсатора постоянной емкости 9 с потенциальным выводом выходной обмотки трансформатора 4. Низкопотенциальный вывод колебательного контура 5 соединен с низкопотенциальным выводом выходной обмотки трансформатора 4 и низкопотенциальным входным выводом регистратора 8.

Регистратор 8 выполнен на буферном усилителе 10, входы которого являются соответствующими входами регистратора, а выход - подключен ко входам двух параллельных каналов 11 и 12, при этом канал 11 содержит соединенные последовательно широкополосный усилитель 13 с коэффициентом усиления eπ и первый компаратор 14, выход которого соединен с первым входом коммутатора 15. Канал 12 содержит второй компаратор 16, выход которого соединен со вторым входом коммутатора 15, у которого управляющий вход соединен с выходом генератора 1, а выход - подключен к управляющему входу счетчика 17. У счетчика 17 счетный вход соединен с выходом импульсного генератора 1, а выход - через дешифратор 18 с входом индикатора 19. Устройство содержит источник питания 20.

Измерительная катушка с плоским каркасом (фиг.2) содержит каркас, выполненный из высокодобротного твердого диэлектрика 21 в виде лепестков расположенных радиально с зазорами и обмотку 22.

Общее число лепестков равно M, где M = 5,7... нечетное число.

Обмотка 22 выполнена в виде спирали. Провод каждой спирали поочередно огибает все лепестки, при этом от витка к витку провод огибает то одну, то другую сторону каждого лепестка каркаса.

Диэлектрический каркас может быть изогнут по одной из осей на угол 40-60^o. В устройстве применяются измерительные катушки обмотки которых выполнены проводом марки ЛЭПКО 20 x 0,07.

Добротность обмоток без биологического объекта 200-300 ед.

Устройство работает следующим образом.

Измерительная схема устройства построена по принципу измерителя диэлектрических потерь (добротности), вносимых в измерительный резонансный контур. Генератор импульсов 1 формирует запускающие импульсы низкой частоты (200 Гц) прямоугольной формы и скважностью - меандр. В формирователе 2 происходит укорочение длительности запускающих импульсов до 10 мкс и последующим усилением по мощности в усилителе 3. Поступающие посредством трансформатора 4 и конденсатора 9 на колебательный контур 5 короткие мощные импульсы возбуждают затухающие колебания с частотой, равной резонансной частоте колебательного контура.

Измерительная катушка 7 вместе с конденсатором 6 выполняет роль датчика, и они являются сменными элементами устройства.

Один комплект устройства для импедансометрии живых тканей биологического объекта может содержать набор измерительных катушек разного диаметра и типа каркаса, укомплектованных соответствующими конденсаторами 6. Все датчики имеют близкие параметры.

Возбужденные в колебательном контуре 5 электрические колебания усиливаются буферным усилителем 10 и поступают одновременно в каналы 11 и 12. В канале 11 колебания усиливаются масштабным усилителем 13 с коэффициентом усиления K = eπ = 23,17 и затем поступают на вход компаратора 14. В канале 12 колебания сразу поступают на вход второго компаратора 16. Элементы 14 и 16 являются компараторами по напряжению, т.е. так называемыми амплитудными селекторами. Компараторы 14 и 16 имеют по два входа, на один из которых подается исследуемое гармоническое затухающее колебание, вторые же входы объединены и на них подано пороговое напряжение. В реальном изделии это напряжение имеет уровень 1,5-2 В и определяется необходимостью отсечения шумовых (т.е. случайных) составляющих сигнала, присутствующих на выходе усилителя 10 и 13. Именно при превышении затухающим колебанием порогового уровня в 1,5-2 В на выходе компараторов появляются последовательности прямоугольных импульсов, используемых для работы в последующем счетчика 17. Сформированные по амплитуде и форме последовательности прямоугольных импульсов поступают с выходов компараторов на входы коммутатора 15, который управляется теми же запускающими импульсами, которые возбуждают колебательный контур 5, но меньшими по мощности. Поэтому импульсы управления берутся непосредственно с выхода генератора 1.

Коммутатор 15 работает в цикле, который состоит из двух частей. По первому возбуждающему импульсу с генератора 1 коммутатор 15 пропустит на выход, т.е. на вход счетчика 17, только импульсы с компаратора 16, при этом по шине управления счетчику будет дана команда вычесть эти импульсы из своего первоначального, т. е. нулевого состояния. По второму возбуждающему импульсу коммутатор 15 перейдет во второе устойчивое состояние и пропустит на вход счетчика 17 только импульсы с компаратора 14, при этом по шине управления счетчику будет дана команда на сложение этих импульсов со своим предыдущим состоянием. Таким образом, осуществляется численное вычитание последовательности импульсов одной из другой. По третьему возбуждающему импульсу цикл работы повторяется.

Только перед каждым началом нового цикла из коммутатора 15 по шине управления подается сигнал на обнуление состояния счетчика 17.

Состояние счетчика 17 после вычислений преобразуется дешифратором 18 в семисегментный код, который отображается индикатором 19. Питание устройства осуществляется от встроенной аккумуляторной батареи 20.

При проведении импедансометрии живых тканей биологического объекта выбирают соответствующую измерительную катушку (датчик).

При импедансометрии конечностей применяют катушки с цилиндрическими каркасами. Диаметр каркаса должен быть равен 1,1-1,25 среднего диаметра биологического объекта. Датчик подключают к разъему устройства и измеряют величину добротности Q₁ измерительной катушки без биологического объекта. Фиксируется величина добротности Q₁.

Затем измерительную катушку размещают на биологическом объекте.

Вновь измеряют величину добротности измерительной катушки с внесенными потерями. Фиксируют величину добротности Q₂.

При диагностике заболеваний важным параметром является отношение добротностей A = Q₁/Q₂, которое может характеризовать то или иное заболевание, а также динамику заболевания.

Важен этот коэффициент и при прогнозировании лечения.

При импедансометрии конечностей за эталонную может быть принята добротность здоровой конечности, а за Q₂ добротность больной конечности. Измерения производят в симметричных зонах здоровой и больной конечностей с одной и той же измерительной катушкой.

У здоровых конечностей коэффициент A = 1,0±0,03.

Более подробно диагностика больной конечности рассмотрена в [2].

При импедансометрии головы применяется измерительная катушка, у которой обмотка состоит из двух полуобмоток, при этом первая размещена на цилиндрическом каркасе, а вторая - на плоском.

Полуобмотки включены последовательно и согласно.

Устройство прошло экспериментальную проверку в клиниках при дифференциальной диагностике различных заболеваний.

Источники информации 1. Гуревич М.И. и др. Импедансная реоплетизмография.- Киев: Наукова думка, 1982, с.103-105, рис. 59.

2. Патент РФ N 1827160, кл. A 61 B 5/00, 1990.

Формула изобретения

1. Устройство для импедансометрии живых тканей биологического объекта, содержащее генератор, трансформатор, датчиковое устройство, включающее измерительную катушку индуктивности и первый конденсатор, один вывод которого соединен с первым выводом измерительной катушки и потенциальным входным выводом регистратора, а другой с низкопотенциальным входным выводом регистратора, отличающееся тем, что генератор выполнен импульсным и к его выходу подключены соединенные последовательно дополнительные формирователь импульсов и усилитель мощности, выход которого соединен с первым выводом входной обмотки трансформатора, второй вывод которой подключен к шине нулевого потенциала, между потенциальным выводом выходной обмотки трансформатора и потенциальным входным выводом регистратора включен второй конденсатор, второй вывод измерительной катушки соединен с низкопотенциальным выводом выходной обмотки трансформатора и с низкопотенциальным входным выводом регистратора, регистратор выполнен на буферном усилителе, входы которого являются соответствующими входами регистратора, а выход подключен к входам двух параллельных каналов, первый из которых содержит соединенные последовательно широкополосный усилитель с коэффициентом усиления eπ и первый компаратор, выход которого соединен с первым входом коммутатора, а второй канал содержит второй компаратор, выход которого соединен с вторым входом коммутатора, управляющий вход которого подключен к выходу импульсного генератора, а выход - к управляющему входу счетчика, счетный вход которого соединен с выходом импульсного генератора, а выход через дешифратор с входом индикатора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что у измерительной катушки обмотка размещена на плоском диэлектрическом каркасе, который выполнен в виде радиально расположенных лепестков с зазором, провод обмотки поочередно огибает соседние лепестки с противоположных сторон, число лепестков нечетное.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что у измерительной катушки обмотка выполнена в виде двух полуобмоток, каждая из которых размещена на отдельном плоском диэлектрическом каркасе, при этом полуобмотки соединены последовательно и согласно.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что у измерительной катушки обмотка выполнена в виде двух полуобмоток, первая из которых размещена на цилиндрическом каркасе, а вторая размещена на плоском каркасе с лепестками, при этом полуобмотки соединены последовательно и согласно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2