Устройство для измерения электрокожного сопротивления

 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для измерения электрических параметров кожного покрова. Технический результат изобретения - повышение точности измерения электрокожного сопротивления. Устройство содержит измерительный, дополнительный и два индифферентных электрода, два дифференциальных усилителя, преобразователь ток - напряжение, источник напряжения и регистратор. В устройство введены дополнительный электрод, второй дифференциальный усилитель и источник напряжения. Измерительный и дополнительный электроды выполнены в виде коаксиальной пары с заданными размерами и расположением электродов. Устройство может быть использовано в специализированных диагностических приборах для лечебно-профилактических учреждений, основанных на методах электропунктуры. 3 ил.

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

Известно устройство для обнаружения биологически активных точек по А.с. СССР N 228856, кл. A 51 B 10/00, 1963 г., содержащее щуп (измерительный электрод), пассивный (индифферентный) электрод, источник электропитания (управляемый источник напряжения) и индикатор (регистратор).

В известном устройстве измерение электрокожного сопротивления ЭКС точки акупунктуры ТА осуществляется на основе метода "вольтметра-амперметра" по значению измерительного тока, пропускаемого между измерительным и индифферентным электродами при приложении между ними заданного измерительного напряжения. При этом устройством осуществляется измерение суммарного сопротивления кожного покрова в зонах расположения измерительного и индифферентного электродов, а ЭКС индифферентной зоны определяет погрешности измерения ЭКС ТА. Кроме этого, на регистрируемое значение ЭКС ТА оказывает влияние сопротивления контактов измерительного и индифферентного электродов, которые могут изменяться в зависимости от силы прижатия электродов и изменения состояния кожного покрова, что дополнительно приводит к погрешностям измерения ЭКС ТА.

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 по А. с. СССР N 1060185, кл. A 61 H 39/02, заявл. 11.08.82 г., опубл. 15.12.83 г., содержащее усилитель, к первому входу которого подключен измерительной 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 - со 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 со входом первого электронного ключа и вторым входом второй схемы совпадения, а второй выход - со 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 со входом блока согласования и вторым регистратором, выход второй схемы совпадения соединен со 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 за счет использования второго индифферентного электрода обеспечивается исключение из результата измерения ЭКС индифферентной зоны, что повышает точность измерения за счет исключения погрешностей от составляющей ЭКС индифферентной зоны и сопротивления контакта индифферентного электрода. В то же время в устройстве-прототипе на регистрируемое значение ЭКС оказывает влияние сопротивление контакта измерительного электрода, которое в значительной степени зависит от силы его прижатия к кожной поверхности и состояния кожной поверхности в измерительной зоне. В результате этого при использовании устройства-прототипа возможны значительные погрешности измерения ЭКС ТА.

Для уменьшения влияния на погрешность измерения ЭКС ТА сопротивления контакта измерительного электрода при изменении силы его прижатия к кожной поверхности в известных устройствах применяются специальные силонормирующие датчиковые системы, обеспечивающие стабилизацию силы прижатия измерительного электрода к кожной поверхности и измерения ЭКС при нормируемом значении этой силы. Так в приборах Р. Фоля (см. Voll. R. Arbeitsrichlinien fur die Elektroakupunktur. - Hambung, Blume, 1963) измерение ЭКС проводят при силе прижатия измерительного электрода равной 5-6 H. Однако стабилизация силы прижатия измерительного электрода к кожной поверхности и нормирование ее значения не обеспечивают в достаточной мере исключение влияния на результат измерения ЭКС ТА сопротивления контакта измерительного электрода за счет изменения состояния кожной поверхности, возможных наклонов измерительного электрода и других факторов, что определяет погрешности измерения ЭКС.

Таким образом, недостатки известных устройств определяются низкой точностью измерения.

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, введен второй дифференциальный усилитель, входы которого раздельно подключены к измерительному электроду и первому выходу источника напряжения, а выход - к дополнительному электроду, второй выход источника напряжения подключен к первому входу первого дифференциального усилителя и общей шине устройства, второй вход которого соединен с первым индифферентным электродом, а выход - с первым входом преобразователя "ток-напряжение", второй вход преобразователя "ток-напряжение" соединен с вторым индифферентным электродом, а выход - с регистратором, измерительный и дополнительный электроды выполнены в виде коаксиальной пары с центральным измерительным электродом, при этом расстояние h между измерительным и дополнительным электродами выбирается из условия: где d - диаметр измерительного электрода; H - минимальная толщина рогового слоя эпидермиса исследуемой зоны кожного покрова.

При таком выполнении устройства для измерения электрокожного сопротивления за счет введения дополнительного электрода и второго дифференциального усилителя обеспечивается постоянное падение напряжения на ЭКС ТА при изменении сопротивления контакта измерительного и дополнительного электродов, что позволяет исключить влияние сопротивлений контактов на регистрируемое ЭКС ТА, а следовательно, повысить точность измерения информативного сопротивления ТА. Кроме того, подключение объединенных второго выхода источника напряжения и первого входа первого дифференциального усилителя к общей шине устройства обеспечивает исключение влияния внешних наводок электрических сигналов на объект исследований, т.к. потенциал внутренних тканей будет определяться потенциалом общего провода устройства, который при измерениях может быть заземлен, что дополнительно повышает точность измерения ЭКС ТА.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - разрез используемого в устройстве датчика с измерительным и дополнительным электродами, на фиг. 3 - расположение датчика на кожной поверхности с указанием направлений растекания измерительного тока.

Устройство содержит объект исследований 1 (участок кожного покрова), четыре электрода: дополнительный 2, измерительный 3 и индифферентные 4, 5, преобразователь "ток-напряжение" 6, первый 7 и второй 9 дифференциальные усилители, регистратор 8 и источник 10 напряжения. Электроды 2-5 подключены к исследуемому кожному покрову, схема замещения которого представлена в виде узла 1 на основе модели Филиппсона без учета ввиду малого значения сопротивления подкожных тканей и электрокожных потенциалов (см. Macs Phillippe. Изучение импеданса кожи человека для низкочастотных токов. - These. dat. Ing. Univ. Nancy, 1973. - 96 p.), включающего в себя электрокожные сопротивления Z_x, Z₁ и Z₂ в точках расположения электродов 3 - 5, и сопротивления контакта электродов Z_K1 - Z_K4 в точках расположения электродов 2 - 5 соответственно. Настоящая схема замещения справедлива при условии минимального расстояния между точками A₁, A₂ и удалении точек A₃, A₄ от точек A₁, A₂ на расстояние, значительно превышающее толщину H рогового слоя эпидермиса кожного покрова исследуемой зоны (см. Селезнев А.Т. Влияние составляющей поверхностного тока на погрешность измерения электрокожного сопротивления. /Воронеж. Гос. пед. ун-т. - Воронеж, 1996. - 8 с. рук. Деп. В ВИНИТИ 16.04.96, N 1234 - В96).

Первый электрод 2 (дополнительный) подключен к выходу второго дифференциального усилителя 7, входы которого раздельно подключены к измерительному электроду 3 и первому выходу источника 10 напряжения, второй выход источника напряжения 10 подключен к первому неинвертирующему входу первого дифференциального усилителя 9 и общей шине устройства, второй (инвертирующий) вход которого соединен с первым индифферентным электродом 4, а выход - с первым входом преобразователя 6 "ток-напряжение", второй вход преобразователя 6 "ток-напряжение" соединен с вторым индифферентным электродом 5, а выход - с регистратором 8.

Преобразователь 6 "ток - напряжение" предназначен для выработки напряжения, пропорционального протекающему току в цепи между выходом дифференциального усилителя 9 и вторым индифферентным электродом 5. Он выполнен на прецизионном резисторе и масштабном усилителе на микросхеме КР140УД1208.

Дифференциальный усилитель 7 предназначен для поддержания равенства потенциалов измерительного электрода 3 и первого выхода источника 10 напряжения. Дифференциальный усилитель 7 выполнен на трех микросхемах типа КР140УД1208 в виде усилителя с высоким входным сопротивлением (R_BX > 100 МОм).

Регистратор 8 предназначен для регистрации выходного напряжения преобразователя 6 "ток - напряжение", пропорционального электрокожной проводимости, или электрокожному сопротивлению ТА. Регистратор 8 представляет собой милливольтметр постоянного или переменного тока в зависимости от используемого при реализации устройства режима измерения (на постоянном или переменном токе).

Дифференциальный усилитель 9 предназначен для поддержания равенства потенциалов первого индифферентного электрода 4 и второго выхода источника 10 напряжения. Дифференциальный усилитель 9 выполнен аналогично дифференциальному усилителю 7.

Источник 10 напряжения предназначен для выработки измерительного напряжения, подаваемого на неинвертирующие входы дифферецниальных усилителей 7, 9. В качестве источника напряжения 10 при реализации устройства для режима измерения на постоянном (гальваническом) токе можно использовать батарею типа "Корунд" или стабилизатор напряжения. При реализации режимов измерений на переменном измерительном токе в качестве источника 10 напряжения необходимо использовать соответствующий генератор напряжения.

Дополнительный 2 и измерительный 3 электроды (фиг. 2) представляют собой коаксиальную пару и выполнены в виде эквивалентного измерительного электрода со сферической контактной поверхностью, аналогичного измерительного электродам, используемым в известных устройствах для измерения ЭКС ТА. При реализации устройства все электроды изготавливались из нержавеющей стали, внешней диаметр D дополнительного электрода был выбран D=3 мм, диаметр измерительного электрода 3 составлял d=0,5 мм, а расстояние между дополнительным 2 и измерительным 3 электродами h=0,05 мм.

Устройство для измерения электрокожного сопротивления работает следующим образом.

Индифферентные электроды 3, 4 фиксируются в индифферентной области кожного покрова 1, а датчик устройства с дополнительным 2 и измерительным 3 электродами прижимается контактной поверхностью электродов к кожному покрову в исследуемой зоне точки акупунктуры. При этом в электрической цепи между дополнительным 2 (точка A₁) и вторым индифферентным 5 (точка A₄) электродами будет протекать некоторый измерительный ток I. Этот ток будет проходить через сопротивление контакта Z_K1 дополнительного электрода 2, информативное ЭКС ТА Z_X, ЭКС индифферентной зоны Z₂ в точке A₄ расположения второго индифферентного электрода 5.

Для подтверждения отмеченного на фиг. 3 показано расположение датчика с дополнительным 2 и измерительным 3 электродами на кожной поверхности, условно изображенной в виде высокоомного рогового слоя 11 эпидермиса толщиной H и низкоомных внутренних тканей 12. Здесь в виде пунктирных линий условно показано растекание измерительного тока под электродами. Как показывает фиг. 3, измерительный ток проходит через тонкий роговой слой 11, частично замыкаясь через область рогового слоя в зоне расположения измерительного электрода 3. При этом с некоторыми допущениями можно считать, что потенциал измерительного электрода 3 будет определяться падением напряжения на участке рогового слоя под измерительным электродом 3 от измерительного тока, замыкаемого из зоны расположения дополнительного электрода 2 по поверхностной части рогового слоя 11 эпидермиса на ЭКС ТА Z_X. Справедливость такого предположения наиболее вероятна при выборе измерительного электрода 3 с минимальным (технологически реализуемым при изготовлении датчика) диаметром d и расстоянием h между измерительным 3 и дополнительным 2 электродами.

Значение измерительного тока I в цепи между точками A₁, A₄ будет определяться разностью потенциалов U этих точек и суммарным сопротивлением Z цепи, состоящей из последовательно включенных сопротивлений Z_K1, Z_X, Z₂, Z_K4 (здесь Z_K1 включает сопротивление контакта дополнительного электрода 2 и сопротивление рогового слоя 11 на участке между дополнительным 2 и измерительным 3 электродами): I = U/(Z_K1 + Z_X + Z₂ + Z_K4) (1) Поскольку при использовании дифференциальных усилителей 7, 9 с высоким входным сопротивлением значениями электрических токов в цепях измерительного электрода 3 и первого индифферентного электрода 4 можно пренебречь, то потенциал точки A₂ будет определяться потенциалом точки соединения ЭКС ТА Z_X и сопротивлений контактов Z_K1, Z_K2, а потенциал точки A₄ - потенциалом общей точки соединений сопротивлений Z_X, Z₁, Z₂ (сопротивлением внутренних тканей ввиду его малого значения при анализе пренебрегаем). Т.к. у дифференциальных усилителей потенциалы входов (инвертирующего и неинвертирующего) практически равны между собой, то в устройстве разность потенциалов между точками A₂-A₄, а следовательно, и между клеммами ЭКС ТА Z_X будет определяться напряжением E источника 10 напряжения. При этом в соответствии с (1) измерительный ток I будет равен: I = E/Z_X. (2) Измерительный ток I замыкается на выход дифференциального усилителя 9 через преобразователь 6 "ток-напряжение", на выходе которого формируется выходное напряжение U_вых, пропорциональное с коэффициентом передачи преобразователя "ток-напряжение" K измерительному току I: U_вых = K I = KE/Z_X. (3) По значению напряжения U_вых с помощью регистратора 8 в устройстве будет осуществляться регистрация измеряемого ЭКС ТА Z_X.

Как показывает выражение (3), регистрируемое устройством ЭКС ТА не зависит как от сопротивлений контактов измерительного, дополнительного и индифферентных электродов, так и от ЭКС индифферентных зон, что обеспечивает высокую точность измерений при использовании предлагаемого устройства.

Выполнение принятых выше условий, определяющих работоспособность заявляемого устройства, обеспечивается при выборе определенных соотношений между размерами используемых дополнительного 2 и измерительного 3 электродов. Для вывода этих соотношений будем считать, что потенциал точки соединения сопротивлений Z_X, Z_K1, Z_K2, равный потенциалу точек кожной поверхности A₂ под краем измерительного электрода 3, определяется падением напряжения от поверхностного тока, проходящего в пределах толщины ΔH рогового слоя 11 эпидермиса в горизонтальном направлении (фиг. 3) между дополнительным 2 и измерительным 3 электродами и замыкаемым в вертикальном направлении через роговой слой 11 эпидермиса под краем измерительного электрода, т.е. падением напряжения в последовательной цепи, состоящей из поверхностного сопротивления Z_П и ЭКС ТА Z_X. Для этого случая за поверхностное сопротивление Z_П примем сопротивление рогового слоя в радиальном направлении от центра измерительного электрода 3 в пределах кольца поверхностного слоя высотой ΔH со средним диаметром (d+h) и толщиной h (в пределах зоны кожной поверхности между дополнительным 2 и измерительным 3 электродами), а за ЭКС ТА Z_X - сопротивление кожной поверхности в вертикальном направлении в виде кольца с наружным диаметром d, внутренним диаметром (d - 2H) и толщиной ΔH. Роговой слой 11 в пределах исследуемой зоны будем считать электрически однородным с удельным сопротивлением ρ. С учетом отмеченного поверхностное Z_П сопротивление и ЭКС ТА Z_X можно представить в виде:
Z_п= ρh/π(d+h)ΔH; (4)
Z_x= ρH[πd²/4-π(d-2ΔH)²/4].(5)
где π(d+h)ΔH/ - площадь поперечного сечения кольца, определяющая поверхностное сопротивление Z_П (ΔH - высота кольца; π(d+h) - средняя длина образующей кольца; h - толщина кольца); [π²d/4-π(d-2ΔH)²/4] - площадь кольца, определяющего сопротивление Z_X; H - толщина рогового слоя эпидермиса - высота кольца сопротивления Z_X.

Чтобы потенциал точки соединения сопротивлений Z_X, Z_K1, Z_K2 максимально приближался к потенциалу точки A₁, необходимо обеспечить выполнение условия:
Z_П < Z_X. (6)
Поставляя выражения (4), (5) в (6), получим.

ρh/π(d+h)ΔH<ρH[πd²/4-π(d-2ΔH)²/4].
Преобразуем полученное выражение.

ρh/π(d+h)ΔH<ρH/[πd²/4-πd²/4+πdΔH-πΔH²].
Пренебрегая небольшим значением πΔΗ², получим:

Выражение (7) определяет условия реализуемости принятых выше допущений и может быть использовано для выбора диаметра d измерительного электрода 3 и расстояния h между измерительным 3 и дополнительным электродами при практической реализации устройства.

Диаметром d целесообразно выбирать минимальным из условия возможности изготовления датчика устройства. Используя значения толщины H рогового слоя 11 эпидермиса, которая составляет для разных пациентов и разных зон кожной поверхности 0,02 - 0,6 мм (см. Слынько П.П. Основы низкочастотной кондуктометрии в биологии. - М.: Наука, 1972. - 131 с.), по выбранному значению d в соответствии с выражением (7) можно рассчитать значение h. Внешний диаметр дополнительного электрода D выбирается в соответствии с диаметром измерительных электродов, используемых в известных приборах для электропунктурных диагностических систем (например, D = 3 мм).

При выборе d = 0,5 мм, H = 0,05 мм значение h < 0,056 мм. На практике получение такого значения h достаточно затруднительно и поэтому его можно выбирать в соотвествии с минимальным предельно технологически достижимым значением. При этом будет изменяться относительное изменение потенциала в точке A₁ по отношению к точке A₂. А т.к. в устройстве потенциал точки A₂ определяется потенциалом первого выхода источника напряжения 10, то увеличение значения h в небольших пределах относительно рекомендуемого значения практически не будет сказываться на работе устройства.

Таким образом предлагаемое устройство обеспечивает повышение точности измерения ЭКС ТА за счет уменьшения влияния сопротивлений контакта измерительного электрода. При этом обеспечивается снижение требований к условиям прижатия измерительного электрода, что дополнительно упрощает использование устройства для измерения электрокожного сопротивления в широкой сети лечебно-профилактических учреждений.

Устройство может быть использовано для совершенствования известных специализированных приборов, используемых при диагностических электропунктурных исследованиях, например широко применяемых в настоящее время приборов Р. Фоля.

Формула изобретения

Устройство для измерения электрокожного сопротивления, содержащее измерительный и два индифферентных электрода, дифференциальный усилитель и регистратор, отличающееся тем, что в устройство введены дополнительный электрод и второй дифференциальный усилитель, входы которого раздельно подключены к измерительному электроду и первому выходу источника напряжения, а выход - к дополнительному электроду, второй выход источника напряжения подключен к общей шине устройства и первому входу первого дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с первым индифферентным электродом, а выход - с первым входом преобразователя ток-напряжение, второй вход преобразователя ток-напряжение соединен с вторым индифферентным электродом, а выход - с регистратором, при этом измерительный и дополнительный электроды выполнены в виде коаксиальной пары с центральным измерительным электродом, при этом расстояние между измерительным и дополнительным электродами h выбирается из условия

где d - диаметр измерительного электрода;
H - минимальная толщина рогового слоя эпидермиса исследуемой зоны кожного покрова.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3