Способ определения состояния биологического объекта и устройство для его реализации
Изобретения относятся к области физики и могут быть использованы для определения функционального состояния биологического объекта. В заявленном способе определения состояния биологического объекта путем фиксации и сопоставления структур газоразрядного свечения вокруг эталонного объекта и исследуемого биологического объекта в электромагнитном поле, создаваемом генератором электромагнитных импульсов, при этом зафиксированные структуры газоразрядного свечения вокруг эталонного объекта и исследуемого биологического объекта преобразуют в цифровой код, определяют количественные параметры этих структур свечения, отражающие их характеристики, определяют для эталонного объекта и исследуемого биологического объекта соответствующие точки в пространстве указанных параметров и по расстоянию между этими точками определяют отклонение количественных параметров, характеризующих состояние исследуемого биологического объекта, от количественных параметров, характеризующих эталонный объект. Новым является то, что используют эталонный объект из небиологического материала, фиксацию структуры газоразрядного свечения вокруг эталонного объекта осуществляют многократно, вычисляют относительное отклонение δ значения в ряду измеряемых количественных параметров структур газоразрядного свечения вокруг эталонного объекта от их среднего значения и при δ≤10% осуществляют сопоставление структур газоразрядного свечения вокруг эталонного и исследуемого биологического объектов, а при δ>10% уменьшают выходное напряжение генератора электронных импульсов и/или увеличивают стабильность этих импульсов до достижения значения δ≤10%. Может быть использован эталонный объект из металла. Может быть использован эталонный объект в виде сосуда с электропроводящей жидкостью. В заявленном устройстве для определения состояния биологического объекта, включающем генератор электромагнитных импульсов, стеклянную пластину, на нижней поверхности которой размещен электрод в виде слоя электропроводящего оптически прозрачного материала, объектив, оптоэлектронный цифровой преобразователь, электронно-вычислительный блок, блок представления информации, коммутационное устройство, выполненное с возможностью осуществления поочередного соединения генератора с эталонным объектом или с исследуемым биологическим объектом, при этом первый выход генератора соединен с коммутационным устройством, а второй его выход соединен с электродом, выход объектива соединен оптически с оптическим входом оптоэлектронного цифрового преобразователя, а первый выход электронно-вычислительного блока соединен со входом блока представления информации, новым является то, что устройство дополнительно содержит блок вычисления относительного отклонения δ значения в ряду измеряемых количественных параметров структур газоразрядного свечения вокруг эталонного объекта от их среднего значения и блок логических решений, при этом вход блока вычисления относительного отклонения δ соединен с первым выходом оптоэлектронного цифрового преобразователя, второй выход которого соединен с первым входом электронно-вычислительного блока, второй вход которого соединен с первым выходом блока логических решений, второй выход которого соединен со входом генератора. Коммутационное устройство может быть выполнено в виде электронного или электромеханического ключа. В результате повышается точность определения состояния биологического объекта. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретения относятся к области физики и могут быть использованы для определения функционального состояния биологического объекта.
Известен способ определения состояния биологического объекта, в частности человека, путем фиксации и сопоставления структуры газоразрядного свечения в электрическом поле вокруг объекта в целом или его части (кончиков пальцев) при исходном уровне (вне вегето-сосудистого криза) и в преддверии криза, SU 935076.
В качестве эталона в данном способе может быть рассмотрен не только исходный уровень газоразрядного свечения вокруг исследуемого объекта в состоянии вне криза, но и уровень газоразрядного свечения вокруг заведомо здорового биологического объекта, который принимается в качестве эталонного.
При реализации этого способа вводятся количественные критерии оценки состояния биологического объекта, что позволяет осуществлять сравнение этого состояния в различные моменты времени или сравнивать состояния различных объектов.
Однако такой способ не обеспечивает достаточную точность и достоверность определения состояния биологического объекта ввиду того, что учитывается только один параметр, характеризующий структуру свечения, а именно длина газоразрядного стримера. Кроме того, следует указать, что процесс получения информации довольно трудоемкий и длительный: необходимо получить фотоснимки, произвести их измерение обычным измерительным инструментом, сопоставить результаты измерений. К числу недостатков данного способа следует также отнести то обстоятельство, что оценка состояния биологического объекта определяется только в довольно узком диапазоне изменений одномерного геометрического параметра - длины стримера (от 15 до 30% в сравнении с исходным уровнем). При этом невозможно оценивать состояние объекта, если изменения данного параметра выходят за указанные пределы.
Более высокие точность и достоверность оценок состояния биологического объекта в широком диапазоне значений количественных параметров, характеризующих структуру газоразрядного свечения вокруг объектов в электромагнитном поле, обеспечивает способ определения состояния биологического объекта путем фиксации и сопоставления структуры газоразрядного свечения вокруг эталонного и исследуемого объектов в электромагнитном поле, согласно которому зафиксированные структуры газоразрядного свечения вокруг эталонного и исследуемого объектов преобразуют в цифровой код, определяют количественные параметры этих структур, отражающие их характеристики, определяют для эталонного и исследуемого объектов соответствующие точки в пространстве указанных параметров и по расстоянию между этими точками определяют отклонение состояния исследуемого объекта от эталонного; дополнительно могут определяться количественные параметры структур газоразрядного свечения, отражающие их спектральные, яркостные и фрактальные характеристики, и указанные выше точки в многомерном пространстве определяются с учетом также и этих параметров, RU 2141250.
Данный способ принят в качестве прототипа заявленного способа.
В способе-прототипе в качестве эталонного объекта используют палец человека, которого считают здоровым. Однако любому биологическому объекту свойственна та или иная динамика биологических параметров, характеризующих его состояние, обусловленная влиянием временных, климатических, геофизических и иных факторов в месте проведения измерений. Таким образом, в способе-прототипе в качестве метрологической базы для сравнения принят, в принципе, не достаточно стабильный биологический объект, что обусловливает некоторую неточность определения состояния исследуемого биологического объекта.
В том же патенте RU 2141250 описано устройство для определения состояния биологического объекта, включающее генератор электромагнитных импульсов, стеклянную пластину, на нижней поверхности которой размещен электрод в виде тонкого слоя электропроводящего оптически прозрачного материала, объектив, оптоэлектронный цифровой преобразователь (ОЭЦП), электронно-вычислительный блок в виде персонального компьютера и блок представления информации в виде монитора; один выход генератора соединен с электродом, а второй его выход соединен с коммутационным устройством, которое поочередно соединяют с эталонным или исследуемым объектами, обеспечивая контакт с этими объектами поочередно; выход объектива оптически соединен с оптическим входом ОЭЦП, выход которого соединен со входом электронно-вычислительного блока, выход которого подключен ко входу блока представления информации (монитора).
Это устройство принято в качестве прототипа устройства по настоящей заявке.
Устройство-прототип может быть использовано для определения состояния биологического объекта путем фиксации и сопоставления структур газоразрядного свечения вокруг эталонного объекта и исследуемого биологического объекта только, если в качестве эталонного объекта принимается биологический объект, который по причинам, изложенным выше при описании известного способа, не обеспечивает при этом достаточной и необходимой в ряде случаев точности определения состояния биологического объекта при фиксации и сопоставлении структур газоразрядного свечения вокруг эталонного и исследуемого объектов. Следует указать, что устройство-прототип не позволяет выбрать в качестве метрологической базы для такого составления объект из небиологического материала, поскольку не обеспечивает возможность коррекции относительного отклонения δ значения в ряду измеряемых количественных параметров структур газоразрядного свечения вокруг эталонного объекта от их среднего значения, что необходимо в случае использования эталонного объекта из небиологического материала, так как при этом значения δ могут существенно превосходить допустимое и принятое при проведении медико-биологических измерений значение вариабельности измеряемых параметров - не более 10%. При превышении этого предела медико-биологические измерения считаются невалидными.
Настоящими изобретениями решается задача повышения точности определения состояния биологического объекта.
Для получения такого технического результата в заявленном способе определения состояния биологического объекта путем фиксации и сопоставления структур газоразрядного свечения вокруг эталонного объекта и исследуемого биологического объекта в электромагнитном поле, создаваемом генератором электромагнитных импульсов, при этом зафиксированные структуры газоразрядного свечения вокруг эталонного объекта и исследуемого биологического объекта преобразуют в цифровой код, определяют количественные параметры этих структур свечения, отражающие их характеристики, определяют для эталонного объекта и исследуемого биологического объекта соответствующие точки в пространстве указанных параметров и по расстоянию между этими точками определяют отклонение количественных параметров, характеризующих состояние исследуемого биологического объекта, от количественных параметров, характеризующих эталонный объект, новым является то, что используют эталонный объект из небиологического материала, фиксацию структуры газоразрядного свечения вокруг эталонного объекта осуществляют многократно, вычисляют относительное отклонение δ значения в ряду измеряемых количественных параметров структур газоразрядного свечения вокруг эталонного объекта от их среднего значения и при δ≤10% осуществляют сопоставление структур газоразрядного свечения вокруг эталонного и исследуемого биологического объектов, а при δ>10% уменьшают выходное напряжение генератора электронных импульсов и/или увеличивают стабильность этих импульсов до достижения значения δ≤10%; может быть использован эталонный объект из металла; может быть использован эталонный объект в виде сосуда с электропроводящей жидкостью.
Для достижения указанного технического результата в заявленном устройстве для определения состояния биологического объекта, включающем генератор электромагнитных импульсов, стеклянную пластину, на нижней поверхности которой размещен электрод в виде слоя электропроводящего оптически прозрачного материала, объектив, оптоэлектронный цифровой преобразователь, электронно-вычислительный блок, блок представления информации, коммутационное устройство, выполненное с возможностью осуществления поочередного соединения генератора с эталонным объектом или с исследуемым биологическим объектом, при этом первый выход генератора соединен с коммутационным устройством, а второй его выход соединен с электродом, выход объектива соединен оптически с оптическим входом оптоэлектронного цифрового преобразователя, а первый выход электронно-вычислительного блока соединен со входом блока представления информации, новым является то, что устройство дополнительно содержит блок вычисления относительного отклонения δ значения в ряду измеряемых количественных параметров структур газоразрядного свечения вокруг эталонного объекта от их среднего значения и блок логических решений, при этом вход блока вычисления относительного отклонения δ соединен с первым выходом оптоэлектронного цифрового преобразователя, второй выход которого соединен с первым входом электронно-вычислительного блока, второй вход которого соединен с первым выходом блока логических решений, второй выход которого соединен со входом генератора; коммутационное устройство может быть выполнено в виде электронного или электромеханического ключа.
Заявителем не выявлены технические решения, идентичные заявленным способу и устройству для его реализации, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного способа и заявленного устройства критерию «новизна».
Благодаря реализации признаков заявленного способа достигается важное новое свойство объекта, состоящее в том, что состояние биологического объекта определяется в сопоставлении с объектом, параметры которого не зависят от влияния временных, климатических, геофизических и других факторов, что позволяет обеспечить повышение точности определения состояния исследуемого биологического объекта. Благодаря реализации признаков заявленного устройства обеспечивается возможность использования небиологического объекта в качестве эталонного. Указанное позволяет, по мнению заявителя, сделать вывод о соответствии способа и устройства по настоящей заявке критерию «изобретательский уровень».
Заявленные изобретения поясняются чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - схема устройства для реализации заявленного способа;
на фиг.2 - то же, вариант с выполнением коммутационного устройства в виде электронного или электромеханического ключа;
на фиг.3 - точки в многомерном пространстве количественных параметров структур газоразрядного свечения вокруг эталонного и исследуемого объектов, отражающие их характеристики.
Заявленное устройство для определения состояния биологического объекта 1 включает генератор 2 электромагнитных импульсов с амплитудой 3-5 кВ длительностью 10 мкс, скважностью 1000 Гц, подающихся пачками, длительностью 0,5 с. В конкретном примере применен генератор электрических импульсов "ГРВ Камера", выпускаемый фирмой ООО "Кирлионикс Технолоджиз Интернейшнл" (Санкт-Петербург, Россия). На нижней поверхности стеклянной пластины 3 размещен электрод 4, выполненный в виде слоя электропроводящего оптически прозрачного материала, в конкретном примере слоя SnО2 толщиной 200 мкм или слоя Ag толщиной 10 мкм. Выход объектива 5 оптически соединен с оптическим входом ОЭЦП 6, который представляет собой матричную структуру, выполненную на основе прибора с зарядовой связью (так называемую Госструктуру). Электронно-вычислительный блок 7 представляет собой в конкретном примере контроллер ATmega 16 производства фирмы "ATMEL", США, блок 8 представления информации - монитор LG, FLATRON, L17308, вход которого соединен с первым выходом блока 7. Коммутационное устройство 9 выполнено с возможностью осуществления поочередного соединения генератора 2 с эталонным объектом 12 или с исследуемым биологическим объектом 1 и может представлять собой, в примере по п.4 формулы изобретения (фиг.1), подпружиненный зажим типа "крокодил", соединенный электрически с первым выходом генератора 2. В варианте по п.5 формулы изобретения коммутационное устройство 9 выполнено в виде электронного ключа (в частности, триггера) или электромеханического ключа (в частности, реле). В этом случае коммутационное устройство также электрически соединено (своим первым входом) с первым выходом генератора, а, кроме того, своим вторым входом соединено со вторым выходом электронно-вычислительного блока 7. Так же, как и в примере по фиг.1, коммутационное устройство поочередно подключает первый выход генератора 2 или к исследуемому биологическому объекту 1, или к эталонному объекту 12, в качестве которого использован металлический, в частности медный титановый цилиндр; возможно использование в качестве эталонного объекта сосуда с электропроводящей жидкостью, в частности раствором NaCl. В этом случае электрический контакт может осуществляться непосредственно с электропроводящей жидкостью. Устройство также содержит блок 10 вычисления относительного отклонения 5 значений в ряду измеренных количественных параметров структуры газоразрядного свечения вокруг эталонного объекта 12 от их среднего значения и блок 11 логических решений. Блоки 10, 11 в конкретном примере представляют собой контроллеры ATmega 16 производства фирмы "ATMEL", США. Вход блока 10 соединен с первым выходом ОЭЦП 6, второй выход которого соединен с первым входом электронно-вычислительного блока 7, второй вход которого соединен с первым выходом блока 11 логических решений, второй выход которого соединен со входом генератора 2.
Заявленный способ реализуют с помощью заявленного устройства следующим образом. Эталонный объект 12 приводят в контакт с поверхностью стеклянной пластины 3. При этом первый выход генератора 2 соединен с помощью коммутирующего устройства 9 (переставного зажима изображено пунктиром на фиг.1) или электронного (электромеханического) ключа (фиг.2) с эталонным объектом 12. Создаваемое с помощью генератора 2 электромагнитное поле вызывает газоразрядное свечение вокруг эталонного объекта 12. Посредством объектива 5 это свечение переносится на ОЭЦП 6, в котором преобразуется в цифровой код. С выхода ОЭЦП 6 сигнал поступает на вход электронно-вычислительного блока 7, где определяются количественные параметры структуры газоразрядного свечения вокруг эталонного объекта 12. Фиксацию структуры газоразрядного свечения вокруг эталонного объекта и измерение количественных параметров этой структуры осуществляют многократно. Затем с помощью блока 10 вычисляют относительное отклонение δ значений в ряду измеренных количественных параметров структуры газоразрядного свечения вокруг эталонного объекта 12 от их среднего значения. При значениях δ>10% от блока 10 поступает сигнал к блоку 11 логических решений, который управляет генератором 2, уменьшая его выходное напряжение и/или увеличивая стабильность этих импульсов до достижения значения δ≤10%. Определяют с помощью блока 7 точки в пространстве указанных параметров для эталонного объекта 12. При δ≤10% эталонный объект 12 выводят из контакта со стеклянной пластиной 3, генератор 2 подключают к исследуемому биологическому объекту 1 и осуществляют контакт биологического объекта 1 со стеклянной пластиной 3. Определяют количественные параметры структуры свечения, отражающие характеристики исследуемого биологического объекта 1, а также с помощью блока 7 - точки в пространстве указанных параметров. По расстоянию между соответствующими точками (так же, как в прототипе) определяют отклонение количественных параметров, характеризующих состояние исследуемого биологического объекта, от количественных параметров, характеризующих эталонный объект. В конкретном примере (фиг.3) оси Р1 и Р2 соответствуют количественным параметрам структур свечения, отражающим их двумерные геометрические характеристики, ось Р3 соответствует количественным параметрам, отражающим яркостные характеристики структур свечения, ось Р4 отражает спектральные, а ось Р5 - фрактальные характеристики. Точка 13 в многомерном пространстве осей P1, Р2, Р3, Р4, Р5 соответствует эталонному объекту 12. Таким же образом определяется точка 14 в многомерном пространстве, соответствующая исследуемому объекту 1. По величине расстояния L между точками 13 и 14 определяют состояние исследуемого объекта.
Для реализации данного способа применены известные конструкционные материалы и промышленное оборудование, изготовляемое в заводских условиях. В связи с этим обстоятельством можно сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".
1. Способ определения состояния биологического объекта путем фиксации и сопоставления структур газоразрядного свечения вокруг эталонного объекта и исследуемого биологического объекта в электромагнитном поле, создаваемом генератором электромагнитных импульсов, при этом зафиксированные структуры газоразрядного свечения вокруг эталонного объекта и исследуемого биологического объекта преобразуют в цифровой код, определяют количественные параметры этих структур свечения, отражающие их характеристики, определяют для эталонного объекта и исследуемого биологического объекта соответствующие точки в пространстве указанных параметров и по расстоянию между этими точками определяют отклонение количественных параметров, характеризующих состояние исследуемого биологического объекта, от количественных параметров, характеризующих эталонный объект, отличающийся тем, что используют эталонный объект из небиологического материала, фиксацию структуры газоразрядного свечения вокруг эталонного объекта осуществляют многократно, вычисляют относительное отклонение δ значения в ряду измеряемых количественных параметров структур газоразрядного свечения вокруг эталонного объекта от их среднего значения и при δ≤10% осуществляют сопоставление структур газоразрядного свечения вокруг эталонного и исследуемого биологического объектов, а при δ>10% уменьшают выходное напряжение генератора электронных импульсов и/или увеличивают стабильность этих импульсов до достижения значения δ≤10%.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют эталонный объект из металла.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют эталонный объект в виде сосуда с электропроводящей жидкостью.
4. Устройство для определения состояния биологического объекта, включающее генератор электромагнитных импульсов, стеклянную пластину, на нижней поверхности которой размещен электрод, выполненный в виде слоя электропроводящего оптически прозрачного материала, объектив, оптоэлектронный цифровой преобразователь, электронно-вычислительный блок, блок представления информации, коммутационное устройство, выполненное с возможностью осуществления поочередного соединения генератора с эталонным объектом или с исследуемым биологическим объектом, при этом первый выход генератора соединен с коммутационным устройством, а второй его выход соединен с электродом, выход объектива соединен оптически с оптическим входом оптоэлектронного цифрового преобразователя, а первый выход электронно-вычислительного блока соединен со входом блока представления информации, отличающееся тем, что дополнительно содержит блок вычисления относительного отклонения δ значения в ряду измеряемых количественных параметров структур газоразрядного свечения вокруг эталонного объекта от их среднего значения и блок логических решений, при этом вход блока вычисления относительного отклонения δ соединен с первым выходом оптоэлектронного цифрового преобразователя, второй выход которого соединен с первым входом электронно-вычислительного блока, второй вход которого соединен с первым выходом блока логических решений, второй выход которого соединен со входом генератора.
5. Устройство для определения состояния биологического объекта по п.4, отличающееся тем, что коммутационное устройство выполнено в виде электронного или электромеханического ключа.
