Устройство для измерения электрокожного сопротивления

 

Устройство для измерения электрокожного сопротивления отосится к медицинской технике. Технический результат заключается в расширении диапазона регистрируемых значений электрокожного сопротивления. Устройство содержит измерительный и два индифферентных электрода, преобразователь ток - напряжение, дифференциальный усилитель, амплитудный детектор, источник эталонного напряжения, вычитающее устройство, управляемый источник напряжения и регистратор. Новым в устройстве является введение вычитающего устройства, источника эталонного напряжения, преобразователя ток - напряжение и выполнение источника электропитания в виде управляемого источника напряжения. Это дало возможность формирования нелинейной измерительной шкалы с заданным видом нелинейности, обеспечивающей расширение диапазона регистрируемых значений электрокожного сопротивления при использовании одного измерительного диапазона для поиска точек акупунктуры и измерения их электрокожного сопротивления. Устройство может быть использовано в специализированных диагностических приборах для лечебно-профилактических учреждений, основанных на методах электропунктуры. 3 ил.

1 Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для измерения электрических параметров кожного покрова в точках акупунктуры, используемых для диагностических исследований методами электропунктуры.

Как известно, электрическое сопротивление кожного покрова изменяется в значительных пределах (от 10 кОм до десятков МОм) (Слынько П.П. Потоотделение и проницаемость кожи человека. Киев, Наукова думка, 1973, 255 с.). Электрокожное сопротивление (ЭКС) в точках акупунктуры (ТА) имеет относительно малое значение (10 - 300 кОм). Поэтому для получения высокой достоверности измерения ЭКС ТА используемые приборы должны обеспечивать регистрацию изменений ЭКС ТА в широком диапазоне для обеспечения поиска точек акупунктуры и точное измерение ЭКС в начале измерительного диапазона. При этом регистрацию и измерение электрокожного сопротивления целесообразно проводить на одном измерительном диапазоне, т.е. приборы данного класса должны обладать широким диапазоном измерения ЭКС.

Известно устройство для обнаружения биологически активных точек (авт.св. СССР N 228856, кл. A 61 B 10/00, 1963), содержащее щуп (измерительный электрод), пассивный (индифферентный) электрод, источник электропитания (управляемый источник напряжения) и индикатор (регистратор).

В известном устройстве через ЭКС пропускается измерительный ток, значение которого определяется как выходным напряжением источника электропитания, так и суммарным сопротивлением кожного покрова в зонах расположения измерительного и индифферентного электродов, и регистрация электрокожного сопротивления осуществляется по значению измерительного тока. При этом в зависимости от ЭКС индифферентной зоны регистрация ЭКС под измерительным электродом осуществляется со значительной погрешностью, определяемой соотношением ЭКС измерительной и индифферентной точек. При этом в устройстве в зависимости от ЭКС измерительной точки изменяется мощность, подводимая к информационному сопротивлению, что дополнительно приводит к погрешностям от раздражающего действия измерительного тока на исследуемый кожный покров. В устройстве формируется нелинейная гиперболическая шкала измерения сопротивления, вид которой в значительной степени определяется ЭКС индифферентной зоны, что дополнительно увеличивает погрешности регистрации ЭКС.

Таким образом, основным недостатком известного устройства-аналога является низкая точность измерения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному техническому решению является устройство для поиска точек акупунктуры (авт. св. СССР N 1060185, кл. A 61 H 39/02, заявл. 11.08.82, опубл. 15.12.83), содержащее усилитель, к первому входу которого подключен измерительный электрод и первый выход управляемого резистора, вход которого соединен с выходом блока согласования, первый индифферентный электрод, подключенный ко входу повторителя напряжений, второй индифферентный электрод, соединенный с общей шиной, повторитель напряжения, вход которого соединен с первым пассивным электродом, первый электронный ключ, первый выход которого соединен с выходом повторителя напряжения и вторым входом усилителя, а второй выход - с вторым выходом управляемого резистора, второй усилитель, первый и второй регистраторы, последовательно соединенные второй электронный ключ, третий усилитель, первый блок памяти, компаратор, третий электронный ключ и второй блок памяти, а также мультивибратор, две схемы совпадений и триггер, вход которого подключен к выходу мультивибратора и первым входам схем совпадений, первый выход которого соединен с входом первого электронного ключа и вторым входом второй схемы совпадения, а второй выход - с вторым входом первой схемы совпадения, выход которой подключен ко входу второго электронного ключа, выход усилителя соединен с выходом второго электронного ключа и через второй усилитель со вторым входом компаратора, выход второго блока памяти соединен с входом блока согласования и вторым регистратором, выход второй схемы совпадения соединен с входом третьего электронного ключа, а первый регистратор - с выходом первого блока памяти.

Названное устройство выбрано в качестве прототипа заявленного устройства как совпадающее с ним по максимальному числу признаков.

В устройстве-прототипе, как и в устройстве-аналоге, через ЭКС точки акупунктуры пропускается электрический ток, и регистрация ЭКС осуществляется по значениям сопротивления управляемого резистора, изменяемого пропорционально электрокожному сопротивлению. При этом значение сопротивления управляемого резистора определяется по управляющему напряжению, подаваемому на вход согласующего устройства. В качестве управляемого резистора в устройстве используется полупроводниковый транзистор (биполярный или полевой), обладающий значительной нелинейностью изменения сопротивления от управляющего напряжения в широком диапазоне изменения сопротивлений. В результате этого даже при использовании специального линеаризирующего согласующего устройства возникают значительные трудности получения заданной характеристики управления сопротивлением, что необходимо для построения высокоточных измерительных устройств. Это снижает точность измерения электрокожного сопротивления при использовании устройства-прототипа, а также вводит значительные ограничения при создании нелинейной измерительной шкалы, необходимой для получения требуемого динамического диапазона измерения ЭКС. И для перекрытия необходимого диапазона регистрируемых значений ЭКС требуется использование нескольких диапазонов измерений. В результате этого не обеспечивается оперативная регистрация изменений электрокожного сопротивления (т.к. при измерении ЭКС необходимо проводить переключение диапазонов), а также увеличивается время диагностических исследований, что одновременно приводит к снижению достоверности и точности получаемых диагностических показателей. Кроме того, организация нескольких диапазонов измерений значительно усложняет регистрирующие звенья, повышает их стоимость, усложняет использование приборов и увеличивает время проводимых исследований. Необходимость переключения диапазонов измерения в процессе исследований приводит к появлению дополнительных погрешностей измерения, т.к. изменение режимов работы прибора должно проводиться с одновременным фиксированным расположением электрода в зоне измерения, осуществляемым исследователем.

Аналогичная задача расширения диапазона регистрируемых значений электрокожного сопротивления на одном диапазоне измерения путем организации нелинейной шкалы измерения решается в различных приборах иностранных фирм. При этом требуемое нелинейное преобразование сигнала, как правило, осуществляется во входной цепи прибора с помощью нелинейных преобразователей. Так в приборах Р. Фоля (см. Voll R. Arbeitsrichlinien fur die Elektroakupunktur. - Hamburg, Blume, 1963) используются специальные формирующие диоды. Однако применение настоящих методов получения нелинейных измерительных шкал при разработке специализированных измерителей электрокожного сопротивления затруднено в значительной степени необходимостью применения нелинейных преобразователей с идентичными характеристиками, разброс которых достаточно велик, что вводит дополнительные сложности при изготовлении серийных экземпляров приборов, определяя сложность их настойки и регулировки, и как следствие этого значительное повышение их стоимости, а также погрешностей измерения ЭКС за счет различия параметров нелинейных преобразующих звеньев. Кроме того, в названных приборах значительное влияние на погрешности измерительного преобразования, как и в устройстве-аналоге, оказывает ЭКС индифферентной зоны, что приводит к изменению вида нелинейной характеристики преобразования и дополнительно снижает точность измерений ЭКС ТА.

Таким образом, недостатки известных устройств определяются низкой точностью измерения и относительно небольшим допустимым диапазоном изменения ЭКС ТА на одном измерительном диапазоне.

Целью изобретения является устранение отмеченных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения электрокожного сопротивления, содержащее измерительный и два индифферентных электрода, дифференциальный усилитель и регистратор, дополнительно введен управляемый источник напряжения, первый выход которого соединен с измерительным электродом, а второй выход - с первым входом дифференциального усилителя и общей шиной устройства, вычитающее устройство, выход которого соединен с входом управляемого источника напряжения, первый вход соединен с источником эталонного напряжения, а второй вход - с регистратором и через амплитудный детектор - с выходом преобразователя ток - напряжение, входы которого соединены соответственно с первым индифферентным электродом и выходом дифференциального усилителя, второй вход дифференциального усилителя подключен ко второму индифферентному электроду.

При таком выполнении устройства для измерения электрокожного сопротивления за счет введения управляемого источника напряжения, дифференциального усилителя, преобразователя ток - напряжение, амплитудного детектора, вычитающего устройства и источника эталонного напряжения обеспечивается изменение амплитуды выходного напряжения управляемого источника напряжения (при использовании устройства на переменном измерительном токе) или значения постоянного выходного напряжения (при работе устройства на постоянном измерительном токе) в зависимости от измеряемого электрокожного сопротивления, в результате чего формируется нелинейная зависимость регистрируемого значения ЭКС по значениям амплитуды (или постоянного напряжения) выходного напряжения преобразователя ток - напряжение.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - зависимость выходного напряжения устройства, пропорционального регистрируемым значениям ЭКС от электрокожного сопротивления Z_x; на фиг. 3 - зависимость изменения мощности измерительного сигнала при изменении электрокожного сопротивления Z_x.

Устройство содержит объект исследования 1 (участок кожного покрова), три электрода: измерительный 2 и индифферентные 3, 4, преобразователь 5 ток - напряжение, дифференциальный усилитель 6, амплитудный детектор 7, источник 8 эталонного напряжения, вычитающее устройство 9, регистратор 10 и управляемый источник 11 напряжения.

Электроды 2 - 4 подключены к исследуемому кожному покрову, схема замещения которого представлена в виде узла 1, включающего в себя электрокожные сопротивления Z_x, Z₁ и Z₂ в точках расположения электродов 2 - 4 соответственно.

Первый электрод 2 (измерительный) подключен к первому выходу управляемого источника 11 напряжения, второй электрод 3 (первый индифферентный) подключен к инвертирующегому входу дифференциального усилителя 6, третий электрод 4 (второй индифферентный) подключен к первому входу преобразователя 5 ток - напряжение, второй вход которого подключен к выходу дифференциального усилителя 6. Второй вход дифференциального усилителя 6 подключен ко второму выходу управляемого источника 11 напряжения, соединенному с общей шиной источника питания устройства, выход преобразователя 5 ток - напряжение через амплитудный детектор 7 соединен со входом регистратора 10 и первым входом вычитающего устройства 9, второй вход вычитающего устройства 9 подключен к выходу эталонного источника 8 напряжения, а выход вычитающего устройства 9 соединен со входом управляемого источника 11 напряжения.

Преобразователь 5 ток - напряжение предназначен для выработки напряжения U₁, пропорционального протекающему току в цепи между выходом дифференциального усилителя 6 и третьим электродом 4. Он выполнен на прецизионном резисторе и масштабном усилителе на микросхеме КР140УД1208.

Дифференциальный усилитель 8 предназначен для поддержания равенства потенциалов второго электрода 3 и второго выхода управляемого источника 11 напряжения. Дифференциальный усилитель 6 выполнен на трех микросхемах типа КР140УД1208.

Источник 8 эталонного напряжения предназначен для выработки опорного напряжения U₂, подаваемого на первый вход вычитающего устройства 9. Источник 8 выполнен на диоде КС162А и транзисторе КП103И-1.

Амплитудный детектор 7 предназначен для выработки напряжения U'₁, пропорционального амплитуде выходного напряжения (при измерении на переменном измерительном токе) или постоянному выходному напряжению (при измерении на постоянном измерительном токе) преобразователя 5 ток - напряжение. Он выполнен на диоде КД522А и двух микросхемах КР140УД1208.

Вычитающее устройство 9 предназначено для выработки напряжения U₃, пропорционального разности напряжений (U₂ - U₁). Вычитающее устройство выполнено на микросхеме КР140УД1208.

Регистратор 10 предназначен для регистрации выходного напряжения амплитудного детектора 7, пропорционального электрокожной проводимости, или электрокожному сопротивлению. Регистратор 10 выполнен на микроамперметре М4248.

Управляемый источник 11 напряжения предназначен для выработки напряжения питания измерительной цепи, пропорционального входному напряжению U₃. В зависимости от режима работы устройства между выходами управляемого источника 11 напряжения может формироваться постоянное напряжение, пропорциональное входному напряжению U₃ (при проведении измерений на постоянном токе), синусоидальное или импульсное напряжение с амплитудой, пропорциональный входному напряжению U₃ (при измерении на переменном токе). Управляемый источник 11 напряжения состоит из генератора сигнала, выполненного на двух микросхемах типа КР140УД1208, и управляемого усилителя (усилителя с изменяемым пропорционально входному напряжению U₃ коэффициентом усиления), выполненного на двух микросхемах КР140УД1208 и полевом транзисторе КАП302А.

Устройство для измерения электрокожного сопротивления работает следующим образом.

Индифферентные электроды 3, 4 фиксируются в индифферентной области кожного покрова 1, а измерительный электрод 2 прижимается контактной поверхностью к кожному покрову в исследуемой зоне точки акупунктуры. От управляемого источника 11 напряжения по цепи, образованной измерительным электродом 2 и электрокожными сопротивлениями Z_x и Z₂ к индифферентному электроду 3 течет некоторый заданный электрический ток I, который проходит через преобразователь 5 ток - напряжение на выход дифференциального усилителя 6 и далее на общую шину питания устройства. Через ЭКС Z₁ ток практически равен нулю, т.к. входное сопротивление дифференциального усилителя 6 имеет большое значение (порядка 100 МОм и более). Протекающий ток создает падения напряжений на электрокожных сопротивлениях Z_x и Z₂. На неинвертирующий вход дифференциального усилителя 6 прикладывается потенциал второго выхода управляемого источника 11 напряжения, равный потенциалу общей шины устройства. При этом электрокожные сопротивления Z₁ и Z₂ образуют с дифференциальным усилителем 6 масштабный усилитель, потенциалы неинвертирующего и инвертирующего входов которого практически равны между собой. А т.к. через сопротивление Z₁ ток не протекает, то потенциал индифферентного электрода 3 будет всегда равен потенциалу второго выхода управляемого источника 11 напряжения.

В результате этого к измеряемому сопротивлению Z_x всегда будет приложено напряжение U₄, равное выходному напряжению управляемого источника 11 напряжения, а значение сопротивления Z₂ и внутреннее сопротивление преобразователя 5 ток - напряжение не будут влиять на режим измерения.

Выходное напряжение U₄ управляемого источника 11 напряжения будет определяться напряжением U₃, подаваемым на его вход U₄ = K₁U₃, (1) где K₁ коэффициент передачи управляемого источника 11 напряжения.

Т. к. напряжение U₄ приложено к измеряемому сопротивлению Z_x, то через измеряемое сопротивление будет протекать ток I, равный I = U₄/Z_x. (2) Ток I будет замыкаться через сопротивление Z₂ и преобразователь 5 ток - напряжение на общую шину устройства. В результате этого на выходе преобразователя 5 ток - напряжение пропорционально току I будет формироваться напряжение U₁, равное U₁ = K₂I, (3) где K₂ - коэффициент передачи преобразователя 5 ток - напряжение.

На выходе амплитудного детектора 7 пропорционально значению напряжения U₁ (амплитуде переменного напряжения при измерении на переменном токе или постоянному напряжению при измерении на постоянном токе) будет выделяться постоянное напряжение U'₁ U'₁ = K₃K₂I, (4) где K₃ - коэффициент передачи амплитудного детектора.

При этом на выходе вычитающего устройства 9 будет формироваться напряжение U₃, равное U₃ = U₂ - U'₁. (5)
Напряжение U₃, воздействует на вход управляемого источника 11 напряжения, изменяя его выходное напряжение U₄. В результате этого после переходного процесса в зависимости от значения сопротивления Z_x устанавливается определенное значение напряжения U₄ и пропорциональное ему значение напряжения U'₁, которое на основании выражений (1) - (5) можно представить
U'₁ = K₂K₃I = K₂K₃(U₄/Z_x) = K₁K₂K₃(U₃/Z_x);

Или

Заменяя в выражении (7) модуль ЭКС Z_x на соответствующий модуль проводимости Y_x =1/Z_x получим выражение

Выражения (7), (8) являются функциями преобразования заявляемого устройства измерения электрокожного сопротивления.

Пропорционально напряжению U'₁ с помощью регистратора 10 осуществляется отсчет регистрируемых значений электрокожного сопротивления или электрокожной проводимости.

Как видно из выражений (7), (8), функция преобразования является нелинейной, что обеспечивает формирование нелинейной измерительной шкалы. Причем вид нелинейного преобразования определяется значениями K₁, K₂, K₃, U₂, которые являются постоянными величинами, выбираемыми при проектировании устройства измерения.

На фиг. 2 приведены зависимости выходного напряжения U'₁ устройства, пропорционального регистрируемым значениям ЭКС от измеряемого сопротивления Z_x при разных значениях величин K₁, K₂, K₃, U₂, построенные на основании выражения (7) на PX IBM 486 с использованием программы "Mathcad. Plus 5" для четырех случаев:
1. K₁ = K₃ = 1; K₂ = 2·10⁵ B/A; U₁ = 6 B - зависимость V1(Z_x);
2. K₁ = K₃ = 1; K₂ = 1,2·10⁵ B/A; U₁ = 6 B - зависимость V2(Z_x);
3. K₁ = K₃ = 1; K₂ = 8·10⁴ B/A; U₁ = 6 B - зависимость V3(Z_x);
4. K₁ = K₃ = 1; K₂ = 5·10⁴ B/A; U₁ = 6 B - зависимость V4(Z_x).

Как видно из фиг. 2, предложенное устройство обеспечивает формирование нелинейной шкалы измерения ЭКС, в результате чего осуществляется расширение диапазона регистрируемых значений ЭКС на одном измерительном диапазоне. Причем вид нелинейности измерительной шкалы определяется параметрами применяемых линейных звеньев и может быть значительно изменен в зависимости от поставленной задачи (в зависимости от диапазона значений ЭКС, в котором необходимо осуществлять измерения электрокожного сопротивления, а также диапазона ЭКС, в котором требуется проводить наблюдение за изменением сопротивления).

При выборе параметров устройства в соответствии с п. 4 (зависимость V4(Z_x)) с помощью предлагаемого устройства можно проводить измерение электрокожного сопротивления с высокой точностью в диапазоне 10 - 300 кОм и проводить контроль за изменением электрокожного сопротивления при поиске точек акупунктуры в диапазоне 10 - 5000 кОм.

Кроме того, в предложенном устройстве при заданных значениях K₁, K₂, K₃, U₂ будет обеспечиваться формирование требуемой нелинейной характеристики преобразования (нелинейной шкалы, идеально повторяемой при изготовлении приборов, что очень важно для организации их массового производства).

Используя выражения (4), (7), можно выразить зависимость измерительного тока в устройстве от электрокожного сопротивления Z_x

На основании выражения (9) можно получить выражение для мощности измерительного сигнала , подаваемой в измерительную цепь

Согласно выражению (10) на PX IBM 486 с использованием программы "Mathcad. Plus 5" для четырех случаев, соответствующих параметрам устройства (п. 1 - п. 4), построены зависимости мощности измерительного сигнала (зависимости P1(Z_x) - P4(Z_x) - в соответствии с п.1 - п.4) от электрокожного сопротивления Z_x (фиг. 3). Анализ полученных зависимостей показывает, что для параметров устройства согласно п. 3 (зависимости P3(Z_x)) изменение мощности измерительного сигнала при изменении Z_x в диапазоне 30 - 300 кОм происходит на значение, не превышающее ± 20%, т.е. обеспечивается режим измерения с практически постоянной мощностью измерительного сигнала (в известных устройствах при аналогичных условиях мощность измерительного сигнала изменяется для данного диапазона Z_x в 10 раз). Это обеспечивает минимальные погрешности измерения за счет минимального влияния устройства на объект исследования (за счет обеспечения интактности ТА).

В соответствии с вышеотмеченным при реализации названного устройства выбирают максимально допустимую мощность измерительного сигнала, и исходя из ее значения по виду требуемой нелинейности (в соответствии с фиг. 2) выбирают значения коэффициентов K₁, K₂, K₃ и напряжения U₂. После этого выбором соотношений (K₁U₂)² и (K₁K₂K₃) (в соответствии с выражением 11) обеспечивают минимальное изменение мощности измерительного сигнала для заданного диапазона измерения ЭКС.

В разработанном приборе модели "АРАКС" максимальная мощность измерительного сигнала выбрана равной 10 мкВт, и коэффициенты K₁ = 1, K₃ = 1, K₂ = 5·10⁴, U₂ = 3 В.

При этом в устройстве обеспечена возможность осуществления регистрации ЭКС в пределах 10 кОм - 5 МОм и измерение ЭКС в диапазоне 10 - 300 кОм при погрешности измерения, не превышающей 10%.

Таким образом, в устройстве для измерения электрокожного сопротивления обеспечивается возможность регистрации ЭКС в широком диапазоне регистрируемых значений на одном измерительном диапазоне. Кроме того, устройство обеспечивает режим измерения ЭКС ТА при постоянной мощности измерительного сигнала, что в отличие от известных устройств позволяет расширить диапазон регистрируемых значений ЭКС на одном измерительном диапазоне не менее чем в 10 раз, при максимальной мощности измерительного сигнала, не превышающей используемую мощность в известных устройствах при оптимальном выборе параметров элементов заявленного устройства.

По сравнению с известными приборами, имеющими нелинейные преобразователи во входной цепи измерения (например, приборами Р.Фоля), заявленное устройство при аналогичных параметрах диапазона регистрируемых значений ЭКС обеспечивает измерение при максимальной мощности измерительного сигнала в диапазоне ЭКС 10 - 300 кОм в 10 раз меньшей, чем в известных устройствах. Кроме того, в отличие от известных устройств с нелинейными шкалами измерения предложенное устройство обеспечивает исключение погрешностей от ЭКС индифферентной зоны, а также высокую точность воспроизведения заданной нелинейности шкалы при использовании линейных преобразующих звеньев, что является основой для высокой повторяемости параметров приборов при их серийном производстве.

Формула изобретения

Устройство для измерения электрокожного сопротивления, содержащее измерительный и два индифферентных электрода, дифференциальный усилитель и регистратор, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит управляемый источник напряжения, первый выход которого соединен с измерительным электродом, а второй выход - с первым входом дифференциального усилителя и общей шиной устройства, вычитающее устройство, выход которого соединен с входом управляемого источника напряжения, первый вход соединен с источником эталонного напряжения, а второй вход - с регистратором и через амплитудный детектор с выходом преобразователя ток-напряжение, входы которого соединены соответственно с первым индифферентным электродом и выходом дифференциального усилителя, второй вход дифференциального усилителя подключен к второму индифферентному электроду.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3