Мостовое устройство для многоточечного определения импедансных характеристик биообъектов

 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для разработки точных автоматизированных устройств, обеспечивающих исследование и диагностику состояния мягких и костных тканей, желудка, кровеносных сосудов сердечно-сосудистой системы, реакции организма и т.д. Мостовое устройство для многоточечного определения импедансных характеристик биообъектов содержит генератор переменного напряжения, четырехплечую мостовую измерительную цепь, образованную первым, вторым и третьим элементами, первой и второй операционные усилители, два мультиплексора, масштабный усилитель, амплитудный выпрямитель, АЦП, вычислительное устройство, n-е число измерительных электродов для подключения объекта исследования в четвертое плечо. 2 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для исследования импедансных характеристик биообъектов во многих точках заданной зоны биообъекта, и может быть использовано для разработки точных автоматизированных устройств с широкими функциональными возможностями, обеспечивающих исследование и диагностику состояния мягких и костных тканей, желудка, кровеносных сосудов сердечно-сосудистой системы, реакции организма и т.д.

Известно устройство - реограф для диагностики функционального состояния желудка по результатам регистрации импеданса с поверхности тела человека [Торнуев Ю. В. , Хачатурян Р.Г., Хачатурян А.П., Махнев В.П., Осенний А.С. Электрический импеданс биологических тканей. - М.: ВЗПИ, 1990, с. 155 (с. 78)]. Для повышения точности измерения импеданса внутренних областей исследуемого биообъекта (желудка) предложена схема компенсации импеданса кожи, предусматривающая проведение измерений импедансов в четырех точках с использованием для этого трех каналов измерения реографа, при этом каждый канал обеспечивает измерение на определенной рабочей частоте измерительного тока.

Недостатками устройства являются громоздкость устройства из-за использования трех генераторов тока с разными частотами и ограниченные функциональные возможности, связанные с обеспечением измерения импеданса только между двумя точками биообъекта в автоматизированном режиме.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является устройство, обеспечивающее измерение импеданса между двумя точками объекта исследования (Хасцаев Б.Д. Преобразователь добротности в напряжение. Авт.св. N 1205070, кл. G 01 R 27/26, БИ N 2, 1986), содержащее источник переменного напряжения, две параллельные ветви, первая из которых образована первым образцовым элементом, последовательно соединяемая с объектом измерения, и первым операционным усилителем, инвертирующий вход которого соединен с общим выводом первого образцового элемента и объекта измерения, выход - с вторым выводом объекта измерения, вторая ветвь образована вторым образцовым элементом, последовательно соединенным с регулируемым элементом, общий вывод которых соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, другой вывод регулируемого элемента заземлен. Это устройство также содержит фазочувствительный детектор и второй операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с общим выводом второго образцового и регулируемого элементов, неинвертирующий вход - с выходом источника переменного напряжения, а выход - с общим выводом первого и второго образцовых элементов ветвей, второй выход источника переменного напряжения заземлен, опорный вход фазочувствительного детектора соединен с выходом источника переменного напряжения, сигнальный вход - с выходом первого операционного усилителя, а выход - с управляющим входом регулируемого элемента.

У прототипа и заявляемого изобретения имеются следующие существенные признаки: содержат генератор переменного напряжения, четырехплечую мостовую измерительную цепь, образованную первым, вторым, третьим элементами, первый операционный усилитель, выход которого соединен с общим выводом первого и второго элементов четырехплечей мостовой измерительной цепи, инвертирующий вход - с общим выводом второго и третьего элементов четырехплечей мостовой измерительной цепи, неинвертирующий вход соединен с первым выходом генератора переменного напряжения, второй операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя и общим выводом второго и третьего элементов четырехплечей мостовой измерительной цепи, а инвертирующий вход соединен с другим выводом первого элемента четырехплечей мостовой измерительной цепи, другой вывод третьего элемента и второй выход генератора переменного напряжения заземлены. В четвертое плечо четырехплечей мостовой измерительной цепи устройства, принятого за прототип, с использованием двух измерительных электродов подключается биообъект, импеданс которого и измеряется. Напряжение на выходе второго операционного усилителя такого устройства прямо пропорционально измеряемому импедансу биообъекта. С помощью элементов четырехплечей мостовой измерительной цепи в таком устройстве можно устанавливать диапазоны измерения и уравновешивать измерительную цепь.

Недостатками прототипа являются обеспечение измерения импеданса в автоматизированном режиме только между двумя точками биообъекта, что ограничивает функциональные возможности устройства, и обеспечение недостаточной точности измерения импеданса при исследованиях импедансных свойств внутренних областей биообъектов из-за отсутствия возможности компенсации неинформативных параметров.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в разработке мостового устройства для многоточечного определения импедансных характеристик биообъектов.

Решение этой задачи обеспечивает расширение функциональных возможностей устройства и повышение точности измерения импедансных характеристик биообъектов.

Для достижения этого технического результата предложенное устройство содержит генератор переменного напряжения, четырехплечую мостовую измерительную цепь, образованную первым, вторым и третьим элементами, первый операционный усилитель, выход которого соединен с общим выводом первого и второго элементов четырехплечей мостовой измерительной цепи, инвертирующий вход с общим выводом второго и третьего элементов четырехплечей мостовой измерительной цепи, неинвертирующий вход соединен с первым выходом генератора переменного напряжения, второй операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя и общим выводом второго и третьего элементов четырехплечей мостовой измерительной цепи, а инвертирующий вход соединен с другим выводом первого элемента четырехплечей мостовой измерительной цепи, другой вывод третьего элемента и второй выход генератора переменного напряжения заземлены, масштабный усилитель, вход которого соединен с выходом второго операционного усилителя, амплитудный выпрямитель, вход которого соединен с выходом масштабного усилителя, аналого-цифровой преобразователь АЦП, вход которого соединен с выходом амплитудного выпрямителя, вычислительное устройство, вход которого соединен с выходом АЦП, два мультиплексора, одноименные входы которых соединены параллельно, выход первого мультиплексора соединен с выходом второго операционного усилителя и входом масштабного усилителя, а выход второго мультиплексора соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя и выводом первого элемента четырехплечей мостовой измерительной цепи, первый выход вычислительного устройства соединен с адресными входами мультиплексоров, второй выход вычислительного устройства соединен с входом управления первого элемента, а третий выход - с входом управления третьего элемента четырехплечей мостовой измерительной цепи, четвертый выход вычислительного устройства соединен с входом управления масштабного усилителя, n-е число измерительных электродов, соединенные с входами мультиплексоров.

По отношению к прототипу у заявляемого изобретения имеются следующие отличительные признаки: мостовое устройство дополнительно содержит масштабный усилитель, вход которого соединен с выходом второго операционного усилителя, амплитудный выпрямитель, вход которого соединен с выходом масштабного усилителя, аналого-цифровой преобразователь АЦП, вход которого соединен с выходом амплитудного выпрямителя, вычислительное устройство, вход которого соединен с выходом АЦП, два мультиплексора, одноименные входы которых соединены параллельно, выход первого мультиплексора соединен с выходом второго операционного усилителя и входом масштабного усилителя, а выход второго мультиплексора соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя и выводом первого элемента четырехплечей мостовой измерительной цепи, первый выход вычислительного устройства соединен с адресными входами мультиплексоров, второй выход вычислительного устройства соединен с входом управления первого элемента, а третий выход - с входом управления третьего элемента четырехплечей мостовой измерительной цепи, четвертый выход вычислительного устройства соединен с входом управления масштабного усилителя, n-е число измерительных электродов, соединенных с входами мультиплексоров.

Введение n-го числа измерительных электродов, двух мультиплексоров, масштабного усилителя, амплитудного выпрямителя, АЦП и вычислительного устройства обеспечивает расширение функциональных возможностей устройства, так как становится возможным измерение импедансных характеристик во многих точках заданной зоны биообъекта, и повышение точности измерения. В таком устройстве становится возможным в автоматизированном режиме проведение измерений и обработки измеренных данных по алгоритмам, предусматривающее проведение измерений импедансов в два такта, при которых в первый такт измеряются импедансы между парами "соседних" электродов, начиная от выбранного начального электрода и до последнего выбранного электрода, во второй такт измеряются импедансы между парами электродов, номера которых отличаются друг от друга на число три, начиная от первого выбранного электрода и кончая последним электродом. Затем суммируются результаты j-го измерения первого такта с (j + 2)-м результатом измерения этого же такта, суммируются результат (j + 1)-го измерения первого такта с j-м результатом второго такта. Далее из результата второго сложения вычитается результат первого сложения. Кроме обработки измеренных данных, введение в мостовое устройство вычислительного устройства обеспечивает цифровое управление элементами четырехплечей измерительной мостовой цепи (используемыми для установки диапазона измерения и измеряемого параметра импеданса) и коэффициентом усиления масштабного усилителя. Эффект устройства в основном заключается в том, что предлагаемое устройство обеспечивает в автоматизированном режиме высокую точность измерений и неинвазивные исследования, высокую повторяемость результатов измерений при сохранении морфологической интактности в случаях многократных и долговременных измерений. Эти свойства устройства позволяют значительно повысить качество и эффективность медико-биологических исследований (включая исследования различных новообразований, мозга, мастита молочной железы и активных точек), достоверность диагностических исследований состояния кровеносных сосудов сердечно-сосудистой системы, нарушений мягких и костных тканей, заболеваний желудка, реакции организма и т.д.

К вводимым новым элементам в мостовое устройство не предъявляются особые требования, они могут быть реализованы на основе серийно выпускаемых интегральных микросхем. Такими микросхемами являются микросхемы серии К140 и К155, включая К155КП1, К155КП, К155КП7, К561КП2 и т. д. Они используются для построения мультиплексоров, АЦП, выпрямителей, масштабных усилителей.

По имеющимся у автора сведениям, совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявляемого изобретения, не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

По мнению автора, сущность заявляемого изобретения не следует для специалистов явным образом из известного уровня техники, так как из него не выявляется получаемый технический результат (новое свойство объекта), а именно: расширение функциональных возможностей и повышение точности измерения, обеспечение в автоматизированном режиме высокой повторяемости результатов измерений при сохранении морфологической интактности при многократных и долговременных измерениях, повышение качества и эффективности медико-биологических исследований новообразований, мозга, мастита молочной железы и активных точек и пр., повышение точности диагностических исследований кровеносных сосудов, мягких и костных тканей, желудка, реакции организма и т.д.

Этот результат достигается за счет использования в мостовом устройстве n-го числа измерительных электродов, двух мультиплексоров, масштабного усилителя, амплитудного выпрямителя, АЦП, вычислительного устройства, за счет использования новой схемы соединения элементов мостового устройства между собой, нового алгоритма измерения и нового алгоритма обработки измеренных данных. Эта совокупность признаков, которые отличают от прототипа заявляемое изобретение, позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, в принципе может быть многократно использована в медицинском приборостроении с получением технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей и повышении точности измерения, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

На фиг. 1 изображена электрическая структурная схема предлагаемого мостового устройства; на фиг. 2 показаны диаграммы напряжений на выходах блоков устройства.

Мостовое устройство для многоточечного определения импедансных характеристик биообъектов содержит (фиг. 1) генератор 1 переменного напряжения, четырехплечую мостовую измерительную цепь, образованную первым 2, вторым 3 и третьим 4 элементами, первый операционный усилитель 5, выход которого соединен с общим выводом первого 2 и второго 3 элементов четырехплечей мостовой измерительной цепи, инвертирующей вход - с общим выводом второго 3 и третьего 4 элементов четырехплечей мостовой измерительной цепи, неинвертирующий вход соединен с первым выходом генератора 1 переменного напряжения, второй операционный усилитель 6, неинвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя 5 и общим выводом второго 3 и третьего 4 элементов четырехплечей мостовой измерительной цепи, а инвертирующий вход соединен с другим выводом первого элемента 2 четырехплечей мостовой измерительной цепи, другой вывод третьего элемента 4 и второй выход генератора 1 переменного напряжения заземлены, масштабный усилитель 7, вход которого соединен с выходом второго операционного усилителя 6, амплитудный выпрямитель 8, вход которого соединен с выходом масштабного усилителя 7, аналого-цифровой преобразователь АЦП 9, вход которого соединен с выходом амплитудного выпрямителя 8, вычислительное устройство 10, вход которого соединен с выходом АЦП 9, два мультиплексора 11, 12, одноименные входы которых соединены параллельно, выход первого мультиплексора 11 соединен с выходом второго операционного усилителя 6 и входом масштабного усилителя 7, а выход второго мультиплексора 12 соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя 6 и выводом первого 2 элемента четырехплечей мостовой измерительной цепи, первый выход вычислительного устройства 10 соединен с адресными входами мультиплексоров 11, 12, второй выход вычислительного устройства 10 соединен с входом управления первого элемента, а третий выход - с входом управления третьего элемента четырехплечей мостовой измерительной цепи, четвертый выход вычислительного устройства 10 соединен с входом управления масштабного усилителя 7, n-е число измерительных электродов 13 (13+n-1), соединенных с входами мультиплексоров.

Устройство работает следующим образом.

Измерительные электроды в нужных точках заданной зоны подсоединяются к исследуемому биообъекту БО.

Функция преобразования четырехплечей мостовой измерительной цепи (МЦ) имеет вид: , где - выходное напряжение МЦ, иначе напряжение на выходе второго операционного усилителя 6, - напряжение питания МЦ, иначе напряжение на выходе генератора напряжения 1, Z₂ - измеряемый импеданс, Y₁ = 1/Z₁; Y₃ = 1/Z₃; Z₄ - импедансы первого 2, второго 3, третьего 4 элементов. Из функции преобразования МЦ видна линейная зависимость выходного напряжения МЦ от импедансов элементов плеч.

С помощью первого 2 элемента устанавливается частотонезависимый выходной сигнал четырехплечей мостовой измерительной цепи, а с помощью третьего 4 элемента - диапазон измерения параметров импеданса.

Напряжение с выхода МЦ подается на вход масштабного усилителя 7, коэффициент усиления которого устанавливается сигналами от вычислительного устройства 10. Напряжение с выхода масштабного усилителя 7 подается на амплитудный выпрямитель 8 и после выпрямления напряжение подается на АЦП 9 для преобразования в кодовый сигнал, несущий информацию об измеряемой величине. С выхода АЦП сигнал поступает в вычислительное устройство 10. Вычислительное устройство 10 устанавливает в начале измерений мультиплексоры 11 и 12 в исходное состояние, что зависит от номера измерительного электрода, с которого необходимо проведение измерений. По программе также можно задавать номер измерительного электрода (Э_{n - i}), до которого необходимо проведение измерений. В ходе измерений вычислительное устройство 10 обеспечивает переключение мультиплексоров 11 и 12, в результате чего измеряется импеданс между другой парой измерительных электродов. Значит каждый раз значение Z₂ (импеданс четвертого элемента - плеча мостовой измерительной цепи) будет соответствовать импедансу между выбранными измерительными электродами, которые и выбираются по командам от вычислительного устройства 10 с помощью мультиплексоров 11, 12. Генератор напряжения 1 подает на мостовую измерительную цепь сигналы и низкой, и высокой частоты. Как правило, на низких частотах измеряются реактивные составляющие импедансов биообъектов, а на высоких частотах - активные составляющие импедансов.

На фиг. 1 использованы следующие дополнительные обозначения: БО - объект исследования, который представлен в виде импедансов Z_k1...Z_kn (импедансы кож, находящихся под измерительными электродами) и импедансов Z_x1...Z_x(n-1) (импедансы внутренних областей БО); Э₁-Э_n - измерительные электроды с 13 по 13+ (n-1), с помощью которых БО подключается к мостовому устройству.

В первом такте измеряются импедансы между соседними парами измерительных электродов, подсоединяемых к биообъекту БО. Результатом измерений является система уравнений следующего вида: .

Максимальное число возможных измерений в первом такте равно n-i, где n число измерительных электродов, i - номер измерительного электрода, с которого производится начало измерений (все измерительные электроды нумеруются последовательно). Число i выбирается из условия: i = 1 ... (n-3). Если измерения начать с первого измерительного электрода, то число измерений составит (n-1).

Из системы выходных напряжений МЦ первого такта видно, что на точность измерения информативных параметров Z_xi, Z_x(i+1)...Z_x(n-1) влияют неинформативные параметры Z_ki, Z_k(i+1), Z_kn (импедансы кожных участков, находящихся под измерительными электродами). Для устранения влияния этих неинформативных параметров проводятся измерения второго такта, при котором уже измеряются импедансы между парами соседних электродов с номерами, отличающимися на число три. Иначе, измерения проводятся между i-м и (i+3)-м измерительными электродами. Эти измерения обеспечиваются путем подачи соответствующих сигналов управления от вычислительного устройства 10 на адресные входы мультиплексоров. Число измерений во втором также может составлять n-(i+ 2). Результаты измерений можно представить системой уравнений такого вида: .

Последовательность измерений и формы выходных сигналов блоков предлагаемого устройства показаны на фиг. 2, на которой приняты следующие обозначения: - напряжение генератора напряжения 1; U_ВУ - импульсы на выходе 1 вычислительного устройства 10, подаваемые на адресные входы мультиплексоров; U_bn= - напряжения на выходе масштабного усилителя 7 при измерениях; U_bn - напряжения на выходе амплитудного выпрямителя 8 также при измерениях.

Алгоритм обработки результатов измерений первого и второго тактов следующий. Результат j-го измерения первого такта складывается с (j+2)-м результатом измерения первого такта, (j+1)-й результата измерения первого такта складывается с j-м результатом измерения второго такта. Результат первого сложения вычитается из результата второго сложения. Расчетные формулы для точного определения импедансов между двумя парами соседних измерительных электродов выглядят таким образом: .

Формулы показывают, что устройство не обеспечивает точного определения импедансов только между парами крайних соседних измерительных электродов (на фиг. 1 эти импедансы обозначены Z_x1, Z_x(n-1)).

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое устройство обеспечивает определение импеданса во многих точках заданной зоны биообъекта с повышенной точностью благодаря использованию большого числа измерительных электродов, соответствующей схемы мостового устройства, соответствующих алгоритмов измерения и обработки измеренных данных. Устройство обеспечивает исключение влияния неинформативных параметров, свойственных биообъекту, на точность определения импедансных характеристик объектов исследования. Применение заявляемого устройства по сравнению с прототипом может значительно повысить достоверность и эффективность научных и диагностических исследований, улучшить качество и сроки лечения заболеваний, ускорить сроки внедрения лекарственных препаратов и т.д.

Формула изобретения

Мостовое устройство для многоточечного определения импедансных характеристик биообъектов, содержащее генератор переменного напряжения, четырехплечую мостовую измерительную цепь, образованную первым, вторым и третьим элементами, первый операционный усилитель, выход которого соединен с общим выводом первого и второго элементов четырехплечей мостовой измерительной цепи, инвертирующий вход с общим выводом второго и третьего элементов четырехплечей мостовой измерительной цепи, неинвертирующий вход соединен с первым выходом генератора переменного напряжения, второй операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя и общим выводом второго и третьего элементов четырехплечей мостовой измерительной цепи, а инвертирующий вход соединен с другим выводом первого элемента четырехплечей мостовой измерительной цепи, другой вывод третьего элемента и второй выход генератора переменного напряжения заземлены, отличающееся тем, что в него введены масштабный усилитель, вход которого соединен с выходом второго операционного усилителя, амплитудный выпрямитель, вход которого соединен с выходом масштабного усилителя, аналого-цифровой преобразователь АЦП, вход которого соединен с выходом амплитудного выпрямителя, вычислительное устройство, вход которого соединен с выходом АЦП, два мультиплексора, одноименные входы которых соединены параллельно, выход первого мультиплексора соединен с выходом второго операционного усилителя и входом масштабного усилителя, а выход второго мультиплексора соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя и выводом первого элемента четырехплечей мостовой измерительной цепи, первый выход вычислительного устройства соединен с адресными входами мультиплексоров, второй выход вычислительного устройства соединен с входом управления первого элемента, а третий выход с входом управления третьего элемента четырехплечей мостовой измерительной цепи, четвертый выход вычислительного устройства соединен с входом управления масштабного усилителя, n-е число измерительных электродов, соединенные с входами мультиплексоров.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2