Устройство для диагностики состояния биологических объектов

 

Изобретение предназначено для диагностики состояния различных биологических объектов (тканей, органов, биологических жидкостей и др.). Устройство содержит кнопку "Пуск", схему управления, источник стабилизированного тока, ключ, измеритель временных интервалов, два пороговых элемента, устройство записи и считывания информации, блок памяти, формирователь энергетического уровня, зонд, первый и второй участки цепи и токовый корректор. Устройство позволяет повысить достоверность и эффективность оценки состояния биологического объекта и получить информационную картину за короткий промежуток времени. 2 ил.

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для диагностики состояния различных биологических объектов (ткани, органы, биологические жидкости и др.).

Известен контактный кондуктометрический преобразователь для регистрации процессов, протекающих на границе электрод-жидкость [1].

Однако, этот прибор не позволяет с достаточной достоверностью диагностировать состояние биологического объекта.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для прогнозирования динамики воспалительного процесса [2].

Это устройство содержит электрохимический датчик с двумя плоскопараллельными электродами, источник стабилизированного тока, соединенный первым выходом с общей шиной, вторым выходом - с первым входом ключа, выход которого подключен ко входу первого порогового элемента и через первый участок цепи - к первому электроду датчика, второй электрод датчика через второй участок цепи подключен к общей шине, схему управления, подключенную первым входом к кнопке "Пуск", первым выходом ко второму входу ключа, вторым выходом ко второму входу измерителя временных интервалов, причем выход первого порогового элемента подключен к первому входу измерителя временных интервалов, второй пороговый элемент, вход которого через первый участок цепи подключен к первому электроду зонда, а выход к третьему входу измерителя временных интервалов.

Однако, эффективность этого прибора низка, так как при оценке состояния биологического объекта на разных энергетических уровнях необходима перестройка прибора для каждого уровня, что увеличивает погрешность и затягивает процесс во времени.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение достоверности и эффективности оценки состояния биологического объекта и получение информационной картины за короткий промежуток времени, так как увеличивается число измерений за единицу времени.

Это достигается тем, что в устройство для диагностики состояния биологических объектов, содержащее зонд с двумя электродами, источник стабилизированного тока, соединенный первым выходом с общей шиной, вторым выходом с первым входом ключа, выход которого подключен к первому входу первого порогового элемента и через первый участок цепи к первому электроду зонда, второй электрод зонда через второй участок цепи подключен к общей шине, схему управления, подключенную первым входом к кнопке "Пуск", первым выходом ко второму входу ключа, вторым выходом ко второму входу измерителя временных интервалов, причем выход первого порогового элемента подключен к первому входу измерителя временных интервалов, первый вход второго порогового элемента через первый участок цепи к первому электроду зонда, а выход - к третьему входу измерителя временных интервалов, согласно предлагаемому изобретению дополнительно введены: устройство записи и считывания информации, подключенное первым входом к кнопке "Опрос", вторым входом к третьему выходу схемы управления, блок памяти, один вход которого соединен с выходом устройства записи и считывания информации, а информационные шины с информационными выходами-входами измерителя временных интервалов, второй вход схемы управления подключен к третьему входу измерителя временных интервалов, формирователь энергетических уровней, первый выход которого соединен со входом источника стабилизированного тока и со вторыми входами первого и второго пороговых элементов, а второй вход с четвертым выходом схемы управления, токовый корректор, выход которого соединен с первым входом формирователя энергетических уровней.

Введение новых элементов и связей позволяет сократить время процесса оценки состояния биологического объекта.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 представлен график изменения межэлектродного потенциала на зонде, помещенного в биологический объект.

Устройство (фиг. 1) содержит кнопки "Пуск" и "Опрос", 1 - схему управления, 2 - источник стабилизированного тока, 3 - ключ, 4 - измеритель временных интервалов, 5 - первый пороговый элемент, 6 - второй пороговый элемент, 7 - устройство записи и считывания информации, 8 - блок памяти, 9 - формирователь энергетических уровней, 10 - зонд, содержащий первый и второй электроды, 11 - I-й участок цепи, 12 - II-й участок цепи, 13 - токовый корректор.

При этом источник стабилизированного тока 1 соединен первым выходом с общей шиной, вторым выходом с первым входом ключа 3, выход которого подключен к первому входу первого порогового элемента 5 и через первый участок цепи 11 - к первому электроду зонда 10, второй электрод зонда 10 через второй участок цепи 12 подключен к общей шине, схема управления 1 подключена первым входом к кнопке "Пуск", первым выходом ко второму входу ключа 3, вторым выходом ко второму входу измерителя временных интервалов 4, причем выход первого порогового элемента 5 подключен к первому входу измерителя временных интервалов 4, первый вход второго порогового элемента 6 через первый участок цепи 11 к первому электроду зонда 10, а выход к третьему входу измерителя временных интервалов 4, устройство записи и считывания информации 7 подключено первым входом к кнопке "Опрос", вторым входом к третьему выходу схемы управления 1, блок памяти 8, один вход которого соединен с выходом устройства записи и считывания информации 7, информационные шины блока памяти 8 соединены с информационными выходами-входами измерителя временных интервалов 4, второй вход схемы управления 1 подключен к третьему входу измерителя временных интервалов 4, первый выход формирователя энергетических уровней 9 соединен со входом источника стабилизированного тока 2 и со вторыми входами первого 5 и второго 6 пороговых элементов, а второй вход формирователя энергетических уровней 9 с четвертым выходом схемы управления 1, выход токового корректора 13 соединен с первыми входом формирователя энергетических уровней 9.

Работа осуществляется следующим образом. Токовый корректор 13 переключателем устанавливают в режим соответствующего биологического объекта (ткань, органы, биологические жидкости и др.). При этом токовый корректор 13 выдает сигнал в виде опорного напряжения на вход формирователя энергетических уровней 9. Зонд 10 вводят в исследуемый биологический объект. При нажатии кнопки "Пуск" схема управления 1 обнуляет показания измерителя временных интервалов 4 и вырабатывает команду для формирователя энергетических уровней 9, который в свою очередь формирует на выходе 1, с учетом установки токового корректора 13, напряжение, соответствующее первому энергетическому уровню. Это напряжение подается на регулирующий вход управляемого напряжением источника стабилизированного тока 2 и на входы, формирующие нижний и верхний уровни срабатывания в пороговых элементах 5 и 6. Со схемы управления 1 включается ключ 3, ток с источника стабилизированного тока 2 поступает через ключ 3 на первый участок цепи 11, зонд 10, второй участок цепи 12 и общую шину. При подаче тока на электроды начинается процесс заряда двойного электрического слоя до уровня напряжения, определяемого межэлектродным сопротивлением зонда 10, после чего начинается фарадеевский процесс и скорость изменения напряжения резко снижается. При достижении на зонде 10 напряжения нижнего уровня срабатывает первый пороговый элемент 5, который запускает измеритель временных интервалов 4. При достижении значения напряжения на зонде 10, равного верхнему уровню, срабатывает второй пороговый элемент 6, прекращается отсчет времени измерителем временных интервалов 4. Информация о времени остается на табло измерителя временных интервалов. Выходной сигнал со второго порогового элемента 6 поступает на схему управления 1. В схеме управления 1 формируется импульс, поступающий на устройство записи и считывания информации 7, в котором формируется адресная команда в блок памяти 8, после чего информация, соответствующая времени изменения напряжения от нижнего до верхнего уровня на первом энергетическом уровне, с измерителя временных интервалов 4 переписывается в блок памяти 8. Далее схема управления 1 подает сигнал на обнуление измерителя временных интервалов 4 и на формирователь энергетических уровней 9, который формирует на выходе 1, с учетом установки токового корректора 13, напряжение, соответствующее следующему энергетическому уровню. Это напряжение подается на регулирующий вход управляемого по напряжению источника стабилизированного тока 2 и на входы, формирующие нижний и верхний уровни срабатывания в пороговых элементах 5 и 6. Далее работа аналогична описанной выше.

После окончания измерений в блоке памяти 8 находится информация о времени измерения на каждом из энергетических уровней. Опрос информации с блока памяти 8 осуществляет устройство записи и считывания информации 7. После нажатия кнопки "Опрос" на табло измерителя временных интервалов 4 высвечивается значение времени изменения напряжения от нижнего до верхнего уровня на первом энергетическом уровне. При n-ом нажатии кнопки "Опрос" высвечивается показание для n-го энергетического уровня.

На фиг. 2 представлена характеристика изменения напряжения, снимаемого с зонда на разных энергетических уровнях.

С помощью токового корректора 13 для исследуемого объекта устанавливается ток I¹_const первого энергетического уровня, при котором наблюдается близкий к линейному участок A₁-B₁ характеристики для U¹_н и U¹_в. При подаче на зонд стабилизированного тока Iⁿ_const, на других энергетических уровнях близкие к линейным участки A₂-B₂, ..., A_n-B_n формируются автоматически при изменениях амплитуд тока, I²_const,...Iⁿ_const. При заданных нижних Uⁿ_н и верхних Uⁿ_в пороговых значениях напряжений, с учетом допущения о линейности изменения напряжения на участках между Uⁿ_н и Uⁿ_в можно определить среднее значение Uⁿ_ср на каждом из энергетических уровней: Отсчет времени начинается с момента tⁿ₀ (при достижении значения напряжения Uⁿ_н) и заканчивается в момент времени tⁿ_к (при достижении значения напряжения Uⁿ_в). Временной интервал tⁿ (от tⁿ₀ до tⁿ_к) фиксирует время изменения напряжения от Uⁿ_н до Uⁿ_в. В результате с учетом выражения (1) можно определить работу, затрачиваемую на диссоциацию молекул биологического объекта, заключенного в межэлектродном пространстве на разных энергетических уровнях (8-10 уровней) по формуле: Aⁿ = I^n*t^n*Uⁿ_ср, (2) где n - номер энергетического уровня; Iⁿ - ток на соответствующем энергетическом уровне; tⁿ - значение времени изменения напряжения от нижнего до верхнего уровня на n-ом энергетическом уровне;
Uⁿ_ср - среднее значение напряжения на n-ом энергетическом уровне.

Значения токов и напряжений для каждого из энергетических уровней с учетом коррекции определены конструктивно, относительно первого энергетического уровня и могут быть вычислены по формулам:

где
K - коэффициент коррекции тока;
I¹₁ - значение тока на первом энергетическом уровне при значении K=1;
U¹_н - нижнее значение напряжения на первом энергетическом уровне;
U¹_в - верхнее значение напряжения на первом энергетическом уровне.

При подстановке (3) в (2) и с учетом (1) после упрощения получаем:
Aⁿ = K^*n^2*I¹₁^*U¹_ср^*tⁿ.
I¹₁, U¹_н, U¹_в регулируются и калибруются при настройке прибора, поэтому их значения известны. Величина K устанавливается и определяется положением переключателя токового корректора 13, n - определяется количеством нажатий на кнопку "Опрос". С учетом этих значений и показаний измерителя временных интервалов tⁿ определяется работа, затрачиваемая на диссоциацию молекул биологического объекта на разных энергетических уровнях.

Предлагаемое устройство позволяет получить наглядную картину состояния биологического объекта за короткий промежуток времени и позволяет получить спектральную характеристику концентрации ионообменных молекул с разными уровнями диссоциации.

Литература.

1. БМЭ (30 т.) АМН СССР, гл.ред. Б.В. Петровский, изд-во З.М. Советская энциклопедия, 1979, т. II, ст. 297-298.

2. Патент РФ N 2033606, кл. G 01 N 33/48, бюл. N 11, 20.04.95.

Формула изобретения

Устройство для диагностики состояния биологических объектов, содержащее зонд с двумя электродами, источник стабилизированного тока, соединенный первым выходом с общей шиной, вторым выходом - с первым входом ключа, выход которого подключен к первому входу первого порогового элемента и через первый участок цепи - к первому электроду зонда, второй электрод зонда через второй участок цепи подключен к общей шине, схему управления, подключенную первым входом к кнопке "Пуск", первым выходом - ко второму входу ключа, вторым выходом - ко второму входу измерителя временных интервалов, причем выход первого порогового элемента подключен к первому входу измерителя временных интервалов, первый вход второго порогового элемента через первый участок цепи - к первому электроду зонда, а выход - к третьему входу измерителя временных интервалов, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено устройством записи и считывания информации, подключенным первым входом к кнопке "Опрос", вторым входом - к третьему выходу схемы управления, блоком памяти, один вход которого соединен с выходом устройства записи и считывания информации, информационные шины - с информационными выходами - входами измерителя временных интервалов, второй вход схемы управления подключен к третьему входу измерителя временных интервалов, формирователем энергетических уровней, первый выход которого соединен со входом источника стабилизированного тока и вторыми входами первого и второго пороговых элементов, а второй вход - с четвертым выходом схемы управления, токовым корректором, выход которого соединен с первым входом формирователя энергетических уровней.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2