Способ измерения электрических характеристик биологического объекта и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к медицине, а именно к способам и устройствам измерения электрических характеристик биологических объектов, и может быть использовано в импедансной реографии, электропунктурной рефлексотерапии и т.д. Техническим результатом является повышение точности и достоверности измерений. Способ измерения электрических характеристик биологического объекта осуществляется путем пропускания через него стандартных импульсов тока заданных параметров и замер в момент прохождения первого полупериода импульса тока омической составляющей импеданса, а в момент прохождения второго полупериода - емкостной составляющей импеданса. При этом форма импульсов может быть прямоугольной, треугольной, синусоидальной, частота следования 100 Гц - 500 кГц с регулируемой скважностью, амплитуда 1 - 12 В. Устройство содержит управляемый генератор, электроды, блок детекторов, систему управления и отображения, аналоговый коммутатор. При этом блок детекторов включает два детектора, включенных между активным электродом и соответствующими выходами аналогового коммутатора, вход которого соединен с выходом генератора. Система управления и отображения выполнена в виде микропрограммного контроллера с цепями управления аналоговым коммутатором и с цепями обмена данными с управляющей ПЭВМ, с двумя цифровыми шинами, каждая из которых подключена к одному из амплитудных детекторов через их цифровые выходы, и входом к выходом, первый из которых подключен к индифферентному электроду, а второй - к входу управляемого генератора. 2 с. и 13 з.п.ф-лы, 1 ил., 4 табл.

Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к медицине, а именно к способам измерения электрических характеристик биологических объектов и устройствам для его реализации, и может быть использовано, например: в импендансной реографии, электропунктурной рефлексотерапии и т.д.

Уровень техники Известен способ измерения электрических характеристик биологического объекта путем прикладывания к нему импульсов электрических выходных сигналов, пропускания через него стандартных импульсов тока заданных параметров и замер электрических характеристик, при этом, выделяются сигналы, пропорциональные активной и реактивной составляющих импеданса биоткани, и известно устройство для измерения электрических характеристик биологического объекта, включающее управляемый генератор с одним выходом и входом, токовый и индифферентный электроды, блок детекторов и систему управления и отображения (см. Авторское свидетельство СССР N 1311707, МПК A 61 B 5/05, опубл. 1987 ).

Недостатком известных способа и устройства является то, что они отображают эффективные значения активной и реактивной составляющих импеданса биоткани, а не пиковые (реальные) значения в данный момент Сущность изобретения Задачей настоящего изобретения является получение комплексной картины электрических свойств исследуемого биологического объекта путем замеров пиковых (реальных) значений этих характеристик в данный момент времени и разработка технического устройства, реализующего получение данной информации в реальном масштабе времени.

Указанная задача достигается тем, что в способе измерения электрических характеристик биологического объекта путем прикладывания к нему импульсов электрического выходного сигнала заданных параметров, пропускания через него стандартных импульсов тока заданных параметров и замер электрических характеристик, в отличие от способа по прототипу, в момент прохождения импульса тока измеряют омическую составляющую импеданса, а в момент отсутствия импульса тока - емкостную составляющую импеданса.

Указанная задача достигается также тем, что во время прохождения положительной составляющей импульса тока через биологический объект измеряют его суммарную электропроводность.

А также тем, что во время прохождения отрицательной составляющей импульса тока измеряют суммарную емкостную характеристику биологического объекта.

А также тем, что суммарную емкостную характеристику биологического объекта определяют по току деполяризации.

А также тем, что через биологический объект пропускают импульс тока прямоугольной формы.

А также тем, что через биологический объект пропускают импульс тока синусоидальной формы.

А также тем, что через биологический объект пропускают импульс тока треугольной формы.

А также тем, что через биологический объект пропускают импульс тока частотой от 100 Гц до 500 кГц.

А также тем, что к биологическому объекту прикладывают импульс электрического выходного сигнала амплитудой от 1 до 12 В.

А также тем, что через биологический объект пропускают импульс тока скважностью от 0,5 до 5.

Указанная задача достигается также тем, что устройство для измерения электрических характеристик биологического объекта, включающее управляемый генератор с одним выходом и входом по крайней мере один токовый и индифферентный электроды, блок детекторов и систему управления и отображения, в отличие от способа по прототипу, снабжено аналоговым коммутатором с двумя выходами и входом, соединенным с выходом управляемого генератора, блок детекторов выполнен в виде двух амплитудных детекторов, имеющих по одному цифровому выходу, и аналоговые входы которых соединены соответственно с одним из выходов аналогового коммутатора, а аналоговые выходы с по крайней мере одним токовым электродом, причем система управления и отображения выполнена в виде микропрограммного контроллера с цепями управления аналоговым коммутатором и с цепями обмена данными с управляющей ПЭВМ, с двумя цифровыми шинами, каждая из которых подключена к одному из амплитудных детекторов через их цифровые выходы, и входом и выходом, первый из которых подключен к индифферентному электроду, а второй - к входу управляемого генератора.

А также тем, что амплитудные детекторы выполнены в виде полупроводниковых диодов.

А также тем, что аналоговые коммутаторы выполнены в виде интегральных коммутаторов КМОП технологии.

А также тем, что управляемый генератор стандартных импульсов выполнен с управляемым формирователем импульсов заданной формы с регулируемой частотой от 100 Гц до 500 кГц и с регулируемой скважностью от 0,5 до 5 и с усилителем-формирователем выходного сигнала с возможностью регулирования посредством микроконтроллера амплитуды выходного сигнала от 1 В до 12 В.

А также тем, что аналоговый коммутатор выполнен с двумя каскадами быстродействующих аналоговых ключа.

На чертеже представлена функциональная схема патентуемого устройства для измерения электрических характеристик биологического объекта, реализующего патентуемый способ.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Патентуемое устройство, реализующее данный способ, состоит из управляемого генератора 1 стандартных импульсов, имеющего один управляющий вход 2 и один выход 3, блок детекторов 4 и 5, имеющих каждый один аналоговый вход 6 и 7 и один аналоговый выход 8 и 9 соответственно. Аналоговые выходы 8 и 9 подключены к по крайней мере одному токовому электроду 10. Устройство содержит также аналоговый коммутатор 11 с одним входом 12, соединенным с выходом 3 управляемого генератора 1, и двумя выходами 13 и 14, подсоединенными к выходам 6 и 7 амплитудных детекторов 4 и 5 соответственно. Устройство включает систему управления и отображения в виде микропрограммного контроллера 15 с входом 16, соединенным с индифферентным электродом 17 и выходом 18, соединенным с входом 2 управляемого генератора 1. Микропрограммный контроллер 15 имеет цепи 19 и 20 обмена данными с управляющей ПЭВМ (не показана) и две цифровые шины 21 и 22, каждая из которых подключена к одному из амплитудных детекторов 4 и 5 через их цифровые выходы 23 и 24. Микропрограммный контроллер 15 имеет также цепи управления аналоговым коммутатором 11 (не показаны). Электроды 10 и 17 приложены к биологическому объекту 25, которым, например, может быть человек. Способ реализуется следующим образом.

На исследуемый биологический объект 25 (в частности, человек) устанавливают на предплечье индифферентный электрод 17 площадью S >10 кв. см, обильно смоченный водой для лучшего контакта, неполяризующиеся хлорсеребряные токовые электроды 10 на биологически активные точки, причем их количество, форма и площадь контакта зависят от конкретной методики проведения исследования. Управление микропрограммным контроллером 15 осуществляется с IBM-PC совместимой ПЭВМ (не показано). С ПЭВМ через цепи 19 и 20 обмена данными задаются форма импульсов, характеристики управляемого генератора 1 и режимы работы аналогового коммутатора 11, затем сигнал заданной формы поступает на биологический объект по цепи: выход 3 генератора 1, вход 12 аналогового коммутатора 11, выход 13 аналогового коммутатора 4 на неполяризующиеся хлорсеребряные токовые электроды 10, биологический объект 25, индифферентный электрод 17, через вход 16 на микропрограммный контроллер 15 и с его выхода 18 на вход 2 управляемого генератор 1. Аналоговый коммутатор 11 по положительной полуволне, что является прохождением первого полупериода импульса тока, выходного импульса пропускает импульс через амплитудный детектор 4 на один из электродов 10, установленных на исследуемую область. При этом амплитудный детектор 4 выделяет активную составляющую импеданса исследуемой области. Далее аналоговый коммутатор 11 при появлении отрицательной полуволны выходного импульса, что является прохождением второго полупериода импульса тока, в реальном масштабе времени пропускает импульс через амплитудный детектор 5. В этом случае амплитудный детектор 5 выделяет емкостную составляющую импеданса исследуемой области соответственно. Емкостную составляющую импеданса предпочтительно определяют по току деполяризации. Полученные величины обрабатываются микроконтроллером 15 и пересылаются в ПЭВМ для последующей обработки и выдачи пиковых (реальных) значений электрических характеристик объекта в реальном масштабе времени.

Прочие особенности и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из приведенного ниже описания предпочтительного варианта реализации патентуемого устройства.

Описание предпочтительного варианта реализации изобретения.

Устройство согласно настоящему изобретению состоит из: управляемого генератора стандартных импульсов тока, содержащего: - управляемый формирователь импульсов заданной формы с регулируемой частотой импульсов от 100 Гц до 500 кГц и регулируемой скважностью от 0,5 до 5; - усилитель-формирователь выходного сигнала с возможностью регулирования посредством микроконтроллера амплитуды выходного сигнала от 1 В до 12 В; амплитудных детекторов для измерения электрических характеристик, содержащих:
- узлы быстрого аналого-цифрового преобразования сигналов для обработки их микроконтроллером;
аналогового коммутатора, содержащего:
- два каскада быстродействующих аналоговых ключа и схемы управления от микроконтроллера;
токовый и индифферентный электроды.

Функционирование прибора описывается на следующем примере. Возьмем в качестве исследуемого биообъекта человека. На предплечье устанавливаем индифферентный электрод площадью более 10 кв. см, обильно смоченный водой для лучшего контакта, затем на исследуемую область, например биологически активную точку Е36 справа, накладываем точечный хлорсеребряный электрод (для исключения поляризации ткани на границе металл-кожа) с площадью поверхности 1 кв. мм. (сопоставимый с размерами биологически активной точки). Запускаем измерительный комплекс на базе микроконтроллера (5) и управляющей ПЭВМ и зададим, например, режим подачи прямоугольных импульсов скважностью 2 отрицательной полярности и будем варьировать частотой и амплитудой импульсов. Для большей наглядности сведем в таблицу 1 некоторые выборки измеренных данных.

Как видно из таблицы 1 показатель емкостной составляющей импеданса (С) по току деполяризации жестко связан с частотой и позволяет напрямую судить о суммарных емкостных характеристиках тканей расположенных между электродами. Показатель омической составляющей импеданса (R) отражает суммарную электропроводность (или омическое сопротивление) и в основном зависит от амплитуды импульсов и внутренних свойств тканей.

При пропускании импульсов синусоидальной формы (таблица 2) и импульсов треугольной формы (таблица 3) динамика изменения показателей С и R остается сходной с показателями приведенными в таблице 1.

Таким же образом выражается зависимость показателей С и R при изменении скважности импульсов, например в (таблице 4) приведены показатели для прямоугольных импульсов и скважности равной 4.

На основании полученных характеристик в том или другом режиме можно сделать вывод, что наряду с анатомическими факторами (целостность эпидермиса, наличие потовых и сальных желез) основную роль в электрических характеристиках кожных покровов играют физиологические факторы, связанные с основными жизненными процессами (выделение желез, вазомоторные явления, температура кожи, электродвижущие силы, менструальный цикл у женщин и т.п.) и приведенные данные подтверждают это.

Формула изобретения

1. Способ измерения электрических характеристик биологического объекта путем прикладывания к нему импульсов электрического выходного сигнала заданных параметров, пропускания через него стандартных импульсов тока заданных параметров и замер электрических характеристик, отличающийся тем, что в момент прохождения первого полупериода импульса тока измеряют омическую составляющую импеданса, а в момент прохождения полупериода импульса тока - емкостную составляющую импеданса.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во время прохождения положительной составляющей импульса тока через биологический объект измеряют его суммарную электропроводность.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во время прохождения отрицательной составляющей импульса тока измеряют емкостную составляющую импеданса.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что емкостную составляющую импеданса по току деполяризации.

5. Способ по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что через биологический объект пропускают импульс тока прямоугольной формы.

6. Способ по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что через биологический объект пропускают импульс тока синусоидальной формы.

7. Способ по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что через биологический объект пропускают импульс тока треугольной формы.

8. Способ по одному из пп.1 - 7, отличающийся тем, что через биологический объект пропускают импульс тока частотой 100 Гц - 500 кГц.

9. Способ по одному из пп.1 - 8, отличающийся тем, что к биологическому объекту прикладывают импульс электрического выходного сигнала амплитудой 1 - 12 В.

10. Способ по одному из пп.1 - 8, отличающийся тем, что через биологический объект пропускают импульс тока с важностью 0,5 - 5.

11. Устройство для измерения электрических характеристик биологического объекта, включающее управляемый генератор с одним выходом и входом, по крайней мере один токовый и индифферентный электроды, блок детекторов и систему управления и отображения, отличающееся тем, что оно снабжено аналоговым коммутатором с двумя выходами и входом, соединенным с выходом управляемого генератора, блок детекторов выполнен в виде двух амплитудных детекторов, имеющих по одному цифровому выходу и аналоговые входы, соединенные соответственно с одним из выходов аналогового коммутатора, а аналоговые выходы - с по крайней мере одним токовым электродом, причем система управления и отображения выполнена в виде микропрограммного контроллера с цепями управления аналоговым коммутатором и с цепями обмена данными с управляющей ПЭВМ, с двумя цифровыми шинами, каждая из которых подключена к одному из амплитудных детекторов через их цифровые выходы, и входом и выходом, первый из которых подключен к индифферентному электроду, а второй - к входу управляемого генератора.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что амплитудные детекторы выполнены в виде полупроводниковых диодов.

13. Устройство по одному из пп.11 и 12, отличающееся тем, что аналоговые коммутаторы выполнены в виде интегральных коммутаторов КМОП-технологии.

14. Устройство по одному из пп.11 - 13, отличающееся тем, что управляемый генератор стандартных импульсов выполнен с управляемым формирователем импульсов заданной формы с регулируемой частотой 100 Гц - 500 кГц и регулируемой скважностью 0,5 - 5 и с усилителем - формирователем выходного сигнала с возможностью регулирования посредством микроконтроллера амплитуды выходного сигнала 1 - 12 В.

15. Устройство по одному из пп.11 - 14, отличающееся тем, что аналоговый коммутатор выполнен с двумя каскадами быстродействующих аналоговых ключей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4