Бесконтактный способ определения функционального состояния человека и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в диагностических целях, а именно для оперативной и неинвазивной оценки функционального состояния человека, его органов и систем. Техническим результатом является повышение достоверности оценки функционального состояния организма за счет повышения разрешающей способности, чувствительности и помехозащищенности. Исследуемый участок кожного покрова накладывают на неподвижно установленный дискообразный экран с измерительным отверстием с размерами, не превышающими средних геометрических размеров биологически активных точек (БАТ). Измеряют потенциал V_э, индуцированный однородным статическим полем кожи на измерительном элементе с электромагнитным приводом, выполненном в виде штыря, соосно помещенном под измерительным отверстием. Искомую величину потенциала V_к определяют из соотношения V_э=[C'/(С'+С")]•V_к, где С' - частичная емкость между торцом измерительного элемента и поверхностью кожного покрова, ограниченной измерительным отверстием, С" - входная емкость регистрирующего устройства. Устройство снабжено калибратором, позволяющим проградуировать шкалу внешнего индикатора регистрирующего устройства в абсолютных значениях определяемой величины потенциала. Высокое разрешение обеспечивается за счет выполнения измерительного отверстия и измерительного элемента с диаметрами, соизмеримыми с геометрическими размерами БАТ. Высокая чувствительность достигается за счет предельно малого расстояния между торцом измерительного элемента и поверхностью кожного покрова. 2 с. и 8 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в диагностических целях, а именно для оперативной и неинвазивной оценки функционального состояния человека, его органов и систем.

Известны способы и устройства для бесконтактного измерения биополя лежащего пациента с использованием прикроватных телесистем [1], или экранированных камер, куда помещают пациента [2, 3]. Реализация этих способов связана с использованием сложного оборудования и аппаратурного обеспечения в условиях стационара.

Известны способы измерения параметров квазиэлектрических полей, создаваемых заряженными объектами, путем помещения в исследуемое поле датчика или зонда, соединенных с измерителем [4]. Эти способы эффективны для измерения суммарного электрического поля объекта. Однако не обеспечивают необходимой достоверности результатов при измерении локальных электростатических полей, характерных для биологически активных точек (БАТ) кожного покрова.

Наиболее близким по существу к предлагаемому способу измерения электрических потенциалов в БАТ кожи является метод, реализуемый устройством для исследования биополя объекта [5], заключающийся в измерении заряда, индуцируемого на измерительном элементе, выполненном в виде токопроводной рамки, на которую накладывается ладонь обследуемого. Напряжение на выходе измерительного элемента согласуется дифференциальным узлом и измеряется блоком регистрации. Вследствие больших размеров измерительного элемента функциональные возможности метода ограничены рамками измерений биополей обширных биологически активных зон кожи, которые не обеспечивают качественную и достоверную оценку функционального состояния организма.

Наиболее близким по схемотехническому решению к предлагаемому устройству для реализации бесконтактного способа определения потенциалов в БАТ кожи является датчик для регистрации низкочастотного поля биообъекта [6], содержащий измерительный элемент, помещенный в незамкнутый экран с измерительным отверстием, жестко связанный с корпусом, с установленным в нем электромагнитным приводом, регистрирующее устройство. Электромагнитный привод выполнен в виде диэлектрического стержня, закрепленного на мембране микрофона, подключенного к генератору возбуждения. На противоположном конце стержня установлен измерительный элемент в виде пластины, которая подключена ко входу регистрирующего устройства. Измерение биополя обследуемого осуществляется путем наложения датчика на поверхность тела и регистрации протекающего в цепи измерительного элемента, тока с частотой генератора возбуждения и амплитудой, пропорциональной напряженности измеряемого поля.

Недостатками являются восприимчивость к воздействиям внешних статических полей и низкая разрешающая способность, обусловленная размерами измерительного элемента, что затрудняет применение этих устройств для измерения локальных полей БАТ.

Технический результат - повышение достоверности оценки функционального состояния организма за счет повышения разрешающей способности, чувствительности и помехозащищенности.

Цель достигается тем, что по способу определения электрических потенциалов в БАТ кожи путем измерения электростатического поля кожного покрова, исследуемый участок кожного покрова накладывают на неподвижно установленный плоский экран с измерительным отверстием с размерами, не превышающими средних геометрических размеров БАТ, измеряют потенциал V_э, индуцированный однородным статическим полем кожи на измерительном элементе, установленном неподвижно и соосно под измерительным отверстием, а искомую величину потенциала _к в БАТ кожи определяют из соотношения V_э=[C'/(C'+C")]•V_к, где Cʹ = ξξ₀S/d - частичная емкость, обусловленная потоком силовых линий однородного статистического поля кожи, проходящих через отверстие в экране и замыкающихся на измерительном элементе; С" - входная емкость регистрирующего устройства; ξ₀ - электрическая постоянная; ξ - диэлектрическая проницаемость эпидермиса кожи; S - площадь кожного покрова, ограниченная размерами измерительного отверстия; d - расстояние между торцом измерительного элемента и поверхностью заряженного слоя кожи.

Емкости С' и С" являются элементами емкостного делителя напряжения. Увеличение емкости С' за счет уменьшения расстояния d между торцом измерительного элемента и поверхностью исследуемого участка кожного покрова обеспечивает высокую чувствительность метода, измерительное отверстие с размерами, соизмеримыми с размерами биологически активных точек позволяет получить хорошее разрешение.

Кроме того, способ обеспечивает точное определение местоположения биологически активной точки путем перемещения исследуемого участка кожи по измерительному отверстию. Совмещение БАТ с отверстием соответствует наибольшим значениям потенциала V_э.

Для достижения поставленной цели в устройстве для бесконтактного определения электрических потенциалов в БАТ кожи, содержащем измерительный элемент с электромагнитным приводом, установленным в корпусе, жестко связанном с незамкнутым экраном с измерительным отверстием, регистрирующее устройство, измерительное отверстие в неподвижно установленном плоском экране выполнено диаметром, не превышающим средних геометрических размеров БАТ, а измерительный элемент неподвижно и соосно размещен под измерительным отверстием, дополнительно снабжено калибратором для градуировки шкалы индикатора в абсолютных значениях искомой величины потенциала, состоящим из токопроводящей пластины, подключенной к регулируемому источнику напряжения, с возможностью радиального перемещения и установки пластины на измерительное отверстие.

Оптимальные размеры экрана, выполненного в форме диска, обеспечивающие помехозащищенность измерительного узла, выбраны на основе экспериментально полученного соотношения _э≥60 d₀, где d_э - внешний диаметр экрана; d₀ - диаметр измерительного отверстия.

С целью повышения чувствительности, за счет уменьшения расстояния между торцом измерительного элемента и поверхностью кожного покрова измерительное отверстие, размещенное по центру экрана, выполнено в виде усеченного конуса с расширением в сторону измерительного элемента.

Хорошее разрешение обеспечивается за счет выполнения измерительного элемента в виде штыря с диаметром, соизмеримым с размерами БАТ.

Фиксированное положение поверхности кожного покрова относительно измерительного элемента обеспечивает высокую стабильность результатов измерений.

Для повышения достоверности имитации электростатического поля БАТ кожи токопроводная пластина калибратора выполнена из материала с объемным удельным сопротивлением ρ и диэлектрической проницаемостью ξ₀, адекватными аналогичным параметрам ρ, ξ₀ кожи БАТ. Все это, в конечном счете, позволяет повысить достоверность оценки функционального состояния человека, его органов и систем.

На фиг.1 представлена блок схема устройства; на фиг.2 - конструкция измерительного узла; на фиг.3 показана физическая картина измерения электрического поля кожи БАТ; на фиг.4 - эквивалентная емкостная схема измерения без учета входного сопротивления в цепи измерительного элемента.

Устройство содержит (фиг.1) измерительный узел 1, регистрирующее устройство 2, состоящее из измерительного усилителя 3, детектора 4, генератора гармонических колебаний 5, подключенных к источнику питания 6, калибратор 7.

Измерительный узел 1 состоит (фиг.2) из дискообразного неподвижно установленного экрана 8 с измерительным отверстием 9 в виде усеченного конуса с размерами, не превышающими средних геометрических размеров БАТ, на котором жестко закреплен корпус 10 электромагнитного привода, выполненного в виде пластины 11 из магнитомягкого материала, у одного из концов которой размещены постоянный магнит 12 и катушка возбуждения 13, подключенная к генератору гармонических колебаний 5, на противоположном конце через изолятор 14 закреплен штыреобразный измерительный элемент 15, неподвижно и соосно размещенный под измерительным отверстием 9 и соединенный проводом с тефлоновой изоляцией 16 со входом усилителя 3, 17 - установочные ножки. При этом оптимальные размеры экрана выбраны на основе экспериментально полученного соотношения _э≥60d₀, где d_э - внешний диаметр экрана 8; d₀ - диаметр измерительного отверстия 9.

Калибратор 7 состоит из токопроводной дискообразной пластины 18, выполненной из материала с объемным удельным сопротивлением ρ и диэлектрической проницаемостью ξ₀, адекватными аналогичным параметрам ρ, ξ₀ кожи БАТ, закрепленной на металлическом стержне 19, установленном на экране 8 через изолирующую втулку 20 и соединенного проводом 21 с регулируемым источником напряжения 22 с возможностью радиального перемещения и установки пластины 18 на измерительное отверстие 9.

Устройство работает следующим образом. На поверхность экрана 8, установленного на ножках 17 с измерительным отверстием 9 измерительного узла 1 накладывают исследуемый участок кожного покрова 23. При этом торец измерительного элемента 15, соединенного проводом 16 с усилителем 3, находится на расстоянии (0,15-0,2) см от поверхности кожного покрова. При поступлении на помещенную в корпусе 10 катушку возбуждения 13 переменного напряжения от генератора гармонических колебаний 5 происходит закономерное замагничевание пластины 11, а взаимодействие с током постоянного магнита 12 приводит к возникновению механического резонанса. При движении измерительного элемента 15, в измеряемом однородном электрическом поле, на нем индуцируется напряжение с амплитудой, пропорциональной напряженности этого поля, которое измеряется усилителем 3.

Переменный сигнал с выхода усилителя преобразуется детектором 4 в постоянное напряжение, которое регистрируется внешним индикатором, подключенным к выходу регистрирующего устройства 2. Градуировка шкалы индикатора в абсолютных значениях определяемой величины потенциала с использованием калибратора 7 осуществляется следующим образом. С помощью стержня 19, установленного через изолирующую втулку 20 на экране 8 и соединенного проводом 21 с регулируемым источником напряжения 22, перемещают на измерительное отверстие 9 пластину 18, на которую задают известный плавно изменяющийся от нуля в сторону увеличения потенциал от положительного вывода источника напряжения 22, минусовой вывод которого подключен к экрану 8. Одновременно с этим показания индикатора в делениях его шкалы обозначаются соответствующими значениями величины задаваемого потенциала на пластине 18.

Способ осуществляется следующим образом (фиг. 3).

На поверхность неподвижно установленного дискообразного экрана 8 накладывают исследуемый участок кожного покрова 23, перемещая его по измерительному отверстию 9, регистрируют максимальное показание индикатора V_и в вольтах, характерное для биологически активной точки, прямо пропорциональное индуцированному напряжению V_э на измерительном элементе. Определяют емкости С' и С", представляющие собой элементы емкостного делителя (фиг.4) и вычисляют искомую величину потенциала V_к в БАТ кожи, используя выражение: V_и=V_э=[C'/(C'+C")]•V_к Для упрощения определения потенциала БАТ кожи, связанного с трудностями определения емкостей С' и С", шкалу индикатора градуируют в абсолютных значениях искомой величины потенциала кожи с использованием калибратора 7 по методике, описанной выше. Проведены испытания устройства в НИИ курортологии и физиотерапии, показавшие эффективность и перспективность способа и устройства, подтвержденные прилагаемым актом внедрения.

Источники информации 1. А.с. СССР 1697735, кл. А 61 В 5/05, 1991 г.

2. А.с. СССР 1634252, кл. А 61 В 5/05, 1991 г.

3. А.с. СССР 1284513, кл. А 61 В 5/05, 1987 г.

4. Патент РФ 2010249, кл. G 01 R 29/12, 1994 г.

5. А.с. СССР 1627128, кл. А 61 В 5/05, 1991 г.

6. А.с. СССР 1530172, кл. А 61 В 5/05, 1989 г.

Формула изобретения

1. Бесконтактный способ определения функционального состояния человека путем измерения электростатического поля кожного покрова, отличающийся тем, что исследуемый участок кожного покрова накладывают на неподвижно установленный плоский экран с измерительным отверстием с размерами, не превышающими средних геометрических размеров биологически активных точек, измеряют потенциал V_э, индуцированный однородным статическим полем на измерительном элементе, установленном неподвижно и соосно под измерительным отверстием, и определяют величину потенциала V_к в биологически активной точке кожи из соотношения V_э= [C'/(C'+C'')] •V_к, где Cʹ = ξξ₀S/d - частичная емкость, обусловленная потоком силовых линий однородного статистического поля кожи, проходящих через измерительное отверстие в экране и замыкающихся на измерительном элементе; С" - входная емкость регистрирующего устройства; ξ₀ - электрическая постоянная; ξ - диэлектрическая проницаемость эпидермиса кожи; S - площадь кожного покрова, ограниченная размерами измерительного отверстия; d - расстояние между торцом измерительного элемента и поверхностью заряженного слоя кожи.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительно перемещая кожный покров по измерительному отверстию, регистрируют максимальное значение потенциала, характерное для биологически активной точки.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что максимально возможная чувствительность обеспечивается минимально допустимым расстоянием между торцом измерительного элемента и поверхностью кожного покрова.

4. Устройство для бесконтактного определения функционального состояния человека, содержащее измерительный элемент с электромагнитным приводом, установленным в корпусе, жестко связанном с незамкнутым экраном с измерительным отверстием, регистрирующее устройство, отличающееся тем, что измерительное отверстие в неподвижно установленном плоском экране выполнено диаметром, не превышающим средних геометрических размеров биологически активных точек, а измерительный элемент неподвижно и соосно размещен под измерительным отверстием, дополнительно снабжено калибратором для градуировки шкалы индикатора в абсолютных значениях искомой величины потенциала.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что измерительное отверстие в экране выполнено в виде усеченного конуса с расширением в сторону измерительного элемента.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что измерительный элемент выполнен в виде штыря с размерами торца, соизмеримыми с геометрическими размерами биологически активных точек.

7. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что экран выполнен в виде диска с диаметром d_э≥60d_и, где d_и диаметр измерительного отверстия.

8. Устройство по пп. 4 и 7, отличающееся тем, что измерительное отверстие выполнено по центру экрана.

9. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что калибратор содержит токопроводную пластину, подключенную к регулируемому источнику ЭДС, с возможностью радиального перемещения и установки ее на измерительное отверстие.

10. Устройство по пп. 4 и 9, отличающееся тем, что токопродная пластина калибратора выполнена из материала с объемным удельным сопротивлением ρ и диэлектрической проницаемостью ξ₀, адекватными аналогичным параметрам ρ и ξ₀ кожи.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4