СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ БИООБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК A61B5/05 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к способам и устройствам для исследования импедансных свойств биообъекта и может быть использовано для определения пространственной асимметрии любого объекта.

Известен способ и устройство на основе измерения и регистрации активной и реактивной составляющей полного сопротивления биообъекта при подаче на биообъект импульса стабилизированного тока, измерении напряжения на биообъекте в фиксированные два момента времени после начала импульса тока.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство, предназначенное для исследования электрических параметров биоткани и позволяющее получить кривые зависимости тангенса фазового угла и модуля полного импеданса от частоты подаваемого тока, и по виду этих зависимостей судить о функциональном состоянии биоткани. Устройство для исследования функционального состояния биоткани содержит управляемый генератор, токовый и потенциометрический электроды, усилитель, блок фазовых детекторов, индикатор.

Однако известные способы и устройства измеряют параметры биообъекта как параметры пассивного двухполюсника и не позволяют определить точки равенства составляющих импеданса относительно плоскости симметрии биообъекта, а также оценить пространственную асимметрию распределения составляющих комплексного сопротивления биообъекта. Совокупность этих точек позволяет построить электроструктурограмму, которая отражает функциональное состояние биообъекта.

Измерения комплексных сопротивлений биообъекта известными способами и устройствами производились с целью оценки функционального состояния биообъектов, при этом измерялись составляющие комплексного сопротивления, состоящего из резистивной и емкостной составляющей сопротивления двухполюсника. Сопротивление двухполюсника образовывалось между электродами, накладываемыми на биообъект, и параметры сопротивления измерялись в целом для него, при этом неизвестным оставалось распределение составляющих сопротивления двухполюсника относительно некоторой системы отсчета.

Задача изобретения состоит в том, чтобы определить точки баланса, где равны резистивные и/или емкостные составляющие полного сопротивления биообъекта по отношению к плоскости симметрии, которую образует система с двумя симметричными электродами, наложенными на биообъект. Электроды накладывают на биообъект так, чтобы плоскость симметрии биообъекта совмещалась с плоскостью симметрии системы электродов, наложенных на биообъект. Плоскость симметрии, образованная подобным образом, и симметричное расположение электродов образуют систему отсчета, относительно которой измеряют распределение составляющих сопротивления, образованного между электродами, с целью оценки асимметрии такого распределения. В частном случае определяют не все кривые распределения, а только точки баланса, в которых составляющие сопротивления двухполюсника равны.

Измерение распределения производится с помощью зонда, который перемещают вдоль линии от одного электрода к другому электроду вблизи поверхности биообъекта. На электродах формируют напряжение, причем напряжение на одном электроде противофазно напряжению на другом электроде относительно нулевой точки измерения. Формирование напряжения на биообъекте и измерение распределения составляющих сопротивления производит изобретенное устройство, в котором вычисление и управление выполняет микроЭВМ. В частном случае, с целью повышения точности, перемещение измерительного зонда может осуществлять приводной механизм, управляемый от микроЭВМ. Регистрация местонахождения зонда относительно плоскости симметрии производится с помощью координатного устройства и микроЭВМ. Используя новый способ и устройство, возможно снятие электроструктурограммы как с помощью оператора, так и автоматизированно.

Способ осуществляется следующим образом. Выбирается плоскость симметрии биообъекта. Формируют переменное напряжение на двух электродах, которые прикладывают к биообъекту симметрично относительно плоскости симметрии биообъекта. Фаза колебания напряжения на одном электроде противоположна фазе колебания на другом электроде, а амплитуды напряжений равны. Измеряют амплитуду и фазу тока, протекающего через биообъект. Проводя зондом вблизи поверхности биообъекта по направлению от первого электрода ко второму электроду, измеряют амплитуду и фазу напряжения в каждой точке. Для каждой точки вычисляют параметры образованной цепи, которая состоит из двух комплексных сопротивлений плеч. Первое комплексное сопротивление образуется между первым электродом и точкой измерения напряжения, второе комплексное сопротивление образуется между вторым электродом и точкой измерения напряжения.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена структурная схема устройства 1; на фиг. 2 - схема эквивалентного представления взаимодействия устройства и биообъекта; на фиг. 3 - структурная схема устройства 2. Образованная цепь взаимодействия устройства и биообъекта приведена на фиг. 2, где Е1 и Е2 - источники переменного напряжения, которое прикладывается к электродам; Z1 и Z2 - комплексные сопротивления биообъекта 4, образованные между двумя электродами и точкой измерения напряжения U; U1 и U2 - комплексные напряжения на сопротивлениях Z1 и Z1; U - комплексное напряжение в точке измерения; I - комплексный ток, протекающий через биообъект.

Параметры цепи, активную и реактивную составляющие двух комплексных сопротивлений Z1 и Z2 рассчитывают по измеренным в точке амплитуде и фазе напряжения, а также амплитуде и фазе тока, протекающего через биообъект.

Измеряя напряжение вблизи биообъекта, находят точку баланса, где одна из составляющих сопротивления первого плеча равна такой же составляющей второго плеча. Местонахождение точки баланса регистрируют. В точке баланса измеряют и регистрируют отношение другой составляющей комплексного сопротивления первого плеча к другой составляющей комплексного сопротивления второго плеча.

Для уменьшения влияния качества контакта на переходе электрод-кожа желательно, чтобы электроды присасывались к измеряемому участку при помощи дифференциального вакуум-компрессора.

Устройство содержит управляемый генератор 1, выход которого соединен с последовательно соединенными фазоин- вертором 2, преобразователем ток-напряжение 3, вторым электродом 5, а также к выходу генератора подключены вход фазовращателя 12 и первый электрод 6.

На фиг. 1 электроды 5 и 6 изображены наложенными на биообъект 4.

Приемная часть устройства содержит зонд 7, выход которого соединяется со входом усилителя 8, а выход усилителя 8 соединяется со вторым входом двухканального устройства 9. Двухканальное устройство 9 содержит два фазовых детектора 13 и 15, выход каждого из них подключен к интеграторам 14 и 16 соответственно, а выходы интеграторов 14 и 16 подключены к двухканальному аналого-цифровому преобразователю 17 (АЦП). Опорный вход двухканаль- ного устройства 9 объединяет два входа фазовых детекторов 13 и 15, которые подключаются к выходу фазовращателя 12, а первый вход двухканального устройства 9 соединяется со вторым потенциальным выходом преобразователя ток-напряжение 3. Выход двухканального устройства 9 соединен к микроЭВМ 10, которая считывает данные по линиям, подключенным к двухканальному устройству 9, и координатному устройству 19, а также управляет фазовращателем 12 и выводит необходимые сведения на индикатор 11. В структурную схему устройства входит калибратор 18, который подключают параллельно электродам 5 и 6 в момент калибровки устройства. Калибратор 18 содержит одну или несколько эквивалентных биообъекту цепей
Устройство работает следующим образом.

При включении источника питания на выходе генератора 1 появляется синусоидальное напряжение заданной частоты, которое подается на электроды 5 и 6, причем напряжение на одном из электродов противофазно напряжению на другом электроде, это достигается при помощи фазоинвертора 2.

Измерительный канал тока образуется следующим образом. Преобразователь ток-напряжение 3 преобразует ток, протекающий в цепи биообъекта 4 в соответствующее переменное напряжение U_т, которое снимается с его потенциального выхода и подается на вход двухканального устройства 9. Фазовый детектор 15 и интегратор 16 преобразуют входной сигнал U_т в соответствии с формулой
А_т = К_т.фд ˙ U_т ˙ cosf1, где А_т - постоянное напряжение с выхода интегратора 16.

К_т.фд - коэффициент передачи фазового детектора 15 и интегратора 16;
U_т - амплитуда переменного напряжения на входе фазового детектора 15;
соsf1 - косинус угла между входным U_т и опорным сигналами. АЦП 17 преобразует напряжение с выхода интегратора 16 в двоичные коды, которые считываются микроЭВМ 10.

Калибровка измерительного канала тока производится подключением калибратора 18, в котором содержится как минимум две цепи. Первая цепь содержит последовательно соединенных резистора, образующих резистивный делитель напряжения, концы которого соединены с электродами. Вторая цепь образует емкостный делитель и содержит два конденсатора, соединенные таким же образом, как и резистивный делитель. Подключая резистивный делитель, микроЭВМ 10 устанавливает на фазовращателе 12 такой фазовый сдвиг f_9от, чтобы с выхода интегратора 16 установить нулевое значение напряжения А_т. Значение f_9от на управляющем входе фазовращателя 12 является нулевым значением фазы при измерениях емкостной составляющей тока. Подключая емкостной делитель, микроЭВМ 10 устанавливает на фазовращателе 12 такой фазовый сдвиг, чтобы с выхода интегратора 16 установить нулевое значение напряжения А_т, что позволяет учесть погрешности фазовращателя 12, фазового детектора 15, интегратора 16, АЦП 17, а значение на управляющем входе фазовращателя 12 позволяет установить значение фазы f_от при измерениях активной составляющей тока. Определение передаточного коэффициента измерительного канала тока К_тпроизводится при установленном значении фазы fот на фазовращателе 12 и подключенном значении фазы f_от на фазовращателе 12 и подключенном резистивном делителе. В этом случае на выходе интегратора 16 установится напряжение А_т, соответствующее калибровочному току в цепи резистивного делителя. Калибровочный ток, протекающий через резистивный делитель равен
Iк = U_э/R, где I_к - ток протекающий через резистивный делитель;
U_э - напряжение между электродами;
R - общее сопротивление резистивного делителя; Величина напряжения А_т и известное значение тока I_к позволяют определить коэффициент передачи измерительного канала тока К_т. Во время измерения параметров биообъекта калибратор 18 отключают.

Измерение амплитуды и фазы тока, протекающего через биообъект производится следующим образом. Электроды 5 и 6 прикладываются к биообъекту. На выходе интегратора 16 появляется напряжение А_т. МикроЭВМ 10 устанавливает на фазовращателе 12 значение f_9от и вычисляет емкостную составляющую тока по формуле
I_e = K_т ˙ А_т, где I_е - емкостная составляющая тока, протекающего через биообъект 4;
К_т - коэффициент передачи измерительного канала тока. Далее, микроЭВМ 10 устанавливает на фазовращателе 12 значение f_от, измеряет напряжение А_т на выходе интегратора 16 и вычисляет активную составляющую тока по формуле
I_a = К_т ˙ А_т, где I_а - активная составляющая тока, протекающего через биообъект 4. По вычисленным значениям активной и емкостной составляющим тока микроЭВМ 10 вычисляют амплитуду и фазу тока, протекающего через биообъект.

Аналогично организован измерительный канал напряжения. Измерительный канал напряжения образуется следующим образом. Напряжение, измеренное с помощью зонда 7 усиливается усилителем 8. Усиленное напряжение U_н с выхода усилителя 8 подается на второй вход двухканального устройства 9, а именно на вход фазового детектора 13. Фазовый детектор 13 и интегратор 14 преобразуют входной сигнал U_н в соответствии с формулой
А_н = К_н.фд ˙ U_н ˙ соsf2, где А_н - постоянное напряжение с выхода интегратора 14;
К_н.фд - коэффициент передачи фазового детектора 13 и интегратора 14;
U_н - амплитуда выходного напряжения с выхода усилителя 8;
соsf2 - косинус угла между входным U_н и опорным сигналами. АЦП 17 преобразует напряжение с выхода интегратора 14 в двоичные коды, которые считываются микроЭВМ 10.

Калибровка измерительного канала напряжения производится подключением калибратора, при этом зонд 7 измеряет напряжение в точке соединения элементов цепи. Подключая резистивный делитель, микроЭВМ 10, устанавливает на фазовращателе 12 такой фазовый сдвиг f_9он, чтобы с выхода интегратора 14 установить нулевое значение напряжения А_н. Значение f_9он на управляющем входе фазовращателя 12 является нулевым значением фазы при измерениях емкостной составляющей напряжения. Подключая емкостной делитель, микроЭВМ 10 устанавливает на фазовращателе 12 такой фазовый сдвиг, чтобы с выхода интегратора 14 установить нулевое значение напряжения А_н, что позволяет учесть погpешность фазовращателя 12, фазового детектора 13, интегратора 14, АЦП 17, а значение на управляющем входе фазовращателя 12 позволяет установить значение фазы f_он при измерениях активной составляющей напряжения. Определение передаточного коэффициента измерительного канала напряжения К_нпроизводится при установленном значении фазы f_он на фазовращателе 12 и подключенном резистивном делителе. В этом случае на выходе интегратора 14 установится напряжение А_т, соответствующее калибровочному напряжению на выходе резистивного делителя. Калибровочное напряжение определяется соотношением резисторов в резистивном делителе и напряжением на электродах 5 и 6.

Величина напряжения А_н и известное значение калибровочного напряжения позволяют определить коэффициент передачи измерительного канала напряжения К_н.

Измерение активной и емкостной составляющей напряжения на измеряемом участке биообъекта 4 производится следующим образом. Проводят зонд 7 вблизи поверхности биообъекта 4 между двумя электродами 5 и 6 и измеряют активную и емкостную составляющие напряжения в каждой точке поверхности. Измерение напряжения в одной из точек приводится ниже. При приближении зонда 7 к поверхности биообъекта на выходе интегратора 14 появляется напряжение А_н. МикроЭВМ 10 устанавливает на фазовращателе 12 значение f_он и вычисляет емкостную составляющую напряжения U по формуле
U_e = K_н ˙ А_н, где U_e - емкостная составляющая напряжения U биообъект 4;
К_н - коэффициент передачи измерительного канала напряжения. Далее, микроЭВМ 10 устанавливает на фазовращателе 12 значение f_9он и вычисляет активную составляющую напряжения U по формуле
U_a = K_н ˙ А_н, где U_a - активная составляющая напряжения U, измеряемого в точке.

По измеренным значениям амплитуды и фазы тока и напряжения микроЭВМ 10 производит вычисления составляющих импеданса биообъекта, которые образуются двумя комплексными сопротивлениями, образующими делитель из двух плеч. Для каждой точки измерения образуется свой делитель, где точкой измерения является место соединения комплексных сопротивлений, а концы сопротивлений соединены с электродами 5 и 6. Проводя зондом 7 вблизи биообъекта 4, находят точку баланса, где она из составляющих сопротивления первого плеча равна такой же составляющей второго плеча. Местонахождение точки баланса регистрируют с помощью координатного устройства 19 и микро4ЭВМ 10. В точке баланса измеряют и регистрируют отношение другой составляющей комплексного сопротивления первого плеча к другой составляющей комплексного сопротивления второго плеча.

Частота работы генератора при измерениях фиксированная, но измерения можно проводить на различных частотах в зависимости от структуры биообъекта.

Необходимость вычисления параметров в каждой точке биообъекта требует дополнительного времени, поэтому с целью уменьшения времени поиска точек баланса в устройство введен дополнительно коммутатор 20. схема такого устройства приведена на фиг. 3. Коммутатор 20 позволяет подключать в качестве опорного сигнал от генератора 1 или от преобразователя 3 ток-напряжение. Опорный сигнал подается на два объединенных входа фазовых детекторов 13 и 15 через фазовращатель 12. Данное устройство позволяет находить точки баланса без вычисления параметров цепи в каждой точке.

Порядок калибровки измерительного канала тока аналогичен предыдущему порядку, а порядок калибровки измерительного канала напряжения отличается тем, что коммутатор 20 включает в качестве опорного сигнал с выхода преобразователя 3 ток-напряжение.

Порядок измерения приводится ниже. Электроды 5 и 6 симметрично относительно плоскости симметрии биообъекта 4 накладываются на биообъект 4. Коммутатор 20 включен таким образом, что опорным сигналом является сигнал генератора. Производят измерение активной и емкостной составляющей тока, протекающего через биообъект аналогично предыдущему порядку измерения тока. Во время поиска точек баланса коммутатор 20 включен таким образом, чтобы опорным сигналом являлся сигнал от преобразователя 3 ток-напряжение. При поиске точек баланса резистивных составляющих на фазовращателе 12 устанавливают фазовый сдвиг равный f_9он, а при поиске точек баланса емкостных составляющих устанавливают фазовый сдвиг, равный f_он. Установку сдвига на фазовращателе производит микро4ЭВМ 10 в зависимости от вида поиска - нахождение точек баланса резистивных или емкостных составляющих сопротивлений двух плеч Z1 и Z2. Проводя зондом 7 вблизи поверхности биообъекта 4, находят точку, в которой напряжение А_н на выходе интегратора 14 было равно нулю. Найденная точка будет точкой баланса ре- зистивных или емкостных составляющих сопротивлений Z1 и Z2 в зависимости от фазового сдвига, установленного на фазовращателе 12. Во время поиска точек баланса микроЭВМ 10 отслеживает напряжение А_н на выходе интегратора 14 и не вычисляет параметры Z1 и Z2 для каждой точки, сто уменьшает время поиска точек баланса.

Измерения комплексных сопротивлений биообъекта известными способами и устройствами производились с целью оценки функционального состояния биообъектов, при этом измерялись составляющие комплексного сопротивления, состоящего из резистивной и емкостной составляющей сопротивления двухполюсника. Сопротивление двухполюсника образовывалось между электродами, накладываемыми на биообъект, и параметры сопротивления измерялись в целом для него, при этом неизвестным оставалось распределение составляющих сопротивления двухполюсника относительно некоторой системы отсчета. Задача изобретения состоит в том, чтобы определить точки баланса, где равны резистивные и/или емкостные составляющие полного сопротивления биообъекта, по отношению к плоскости симметрии, которую образует система с двумя симметричными электродами, наложенными на биообъект. Электроды накладывают на биообъект так, чтобы плоскость симметрии биообъекта совмещалась с плоскостью симметрии системы электродов, наложенных на биообъект. Плоскость симметрии, образованная подобным образом, и симметричное расположение электродов образуют систему отсчета, относительно которой измеряют распределение составляющих сопротивления, образованного между электродами, с целью оценки асимметрии такого распределения. В частном случае определяют не все кривые распределения, а только точки баланса, в которых составляющие сопротивления двухполюсника равны. Совокупность этих точек позволяет повысить электроструктурограмму, которая отражает функциональное состояние биообъекта. 2 с.п. и 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ исследования функционального состояния биообъекта, заключающийся в подаче тока на электроды, прикладываемые к биообъекту, в вычислении составляющих импеданса биообъекта и в оценке функционального состояния биообъекта, отличающийся тем, что при подаче тока на двух электродах формируется противофазное напряжение, электроды прикладывают к биообъекту симметрично относительно плоскости симметрии биообъекта, вычисление составляющих импенданса биообъекта осуществляют по измеренным значениям амплитуды и фазы тока и напряжения в каждой точке измерения при перемещении зонда вблизи биообъекта между двумя электродами, при этом осуществляют вычисление двух комплексных сопротивлений двух плеч, каждое из которых образовано соответствующим электродом и точкой измеряемого напряжения, находят точку баланса, в которой одна из составляющих комплексного сопротивления первого плеча равна той же составляющей второго плеча, в точке баланса измеряют и регистрируют отношение другой составляющей комплексного сопротивления первого плеча к другой составляющей второго плеча, оценку функционального состояния биообъекта осуществляют по измеренному распределению составляющих комплексного сопротивления. 2. Устройство для исследования функционального состояния биообъекта, содержащее управляемый генератор, выход которого подключен к первому электроду, последовательно соединенные зонд и усилитель, а также индикатор, отличающееся тем, что в него введены фазоинвертор, преобразователь ток-напряжение и второй электрод, последовательно подключенные к выходу управляемого генератора, кроме того, фазовращатель, микро-ЭВМ, калибратор, координатное устройство зонда и двухканальное устройство выделения амплитуды и фазы, первый вход которого подключен к выходу усилителя, второй вход - ко второму выходу преобразователя ток-напряжение, опорный вход через фазовращатель - к выходу управляемого генератора, а выход - ко входу микро-ЭВМ, выходы которого соединены со входом индикатора и с управляющим входом фазовращателя, при этом калибратор включен между первым выходом преобразователя ток-напряжение и выходом управляемого генератора, а выход координатного устройства зонда подключен к микро-ЭВМ. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что между выходом управляемого генератора и входом фазовращателя включен коммутатор, другой вход которого соединен со вторым выходом преобразователя ток-напряжение.