СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОКОЖНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК A61H39/02 A61B5/05 

Изобретение относится к медицине и медицинской технике и может быть использовано при диагностике и лечении заболеваний методами электропунктуры.

Достоверность проведения диагностических исследований методами электропунктуры в значительной степени определяется точностью измерения электрокожного сопротивления (ЭКС).

Известен способ измерения электрокожного сопротивления точек акупунктуры по а.с. СССР N 1111760 A, кл. A 61 H 39/02, заявлен 28.05.82 г., включающий наложение на точку акупунктуры измерительного и вне ее индифферентного и дополнительного электродов, измерение разности электрических потенциалов между измерительным и индифферентным электродами, включение между измерительным и дополнительным электродами калиброванного резистора, повторное измерение разности потенциалов между измерительным и индифферентным электродами при подключенном калиброванном резисторе, измерение падения напряжения на калиброванном резисторе и вычисление электрокожного сопротивления по значениям измеренных разностей потенциалов и падения напряжения и значения калиброванного резистора.

Недостатком данного способа является низкая точность измерения за счет влияния конечного значения входного сопротивления милливольтметра, используемого при реализации способа, и произвольного выбора индифферентного и дополнительного электродов. При определенном сочетании разностей потенциалов между измерительным и индифферентным, а также измерительным и дополнительным электродами (если модуль разности потенциалов между измерительным и индифферентным электродами будет больше модуля разности потенциалов между измерительным и дополнительным электродами) при использовании известного способа возможны значительные погрешности измерения, достигающие десятков процентов даже при большом входном сопротивлении милливольтметра (100 Мом и более). Кроме того в известном способе через ЭКС ТА при подключении калиброванного резистора проходит постоянный измерительный ток, значение которого определяется разностью потенциалов между измерительным и индифферентным электродами и сопротивлением калиброванного резистора. В результате этого на точность измерения ЭКС оказывают влияние поляризационные процессы, проходящие как в биологических тканях, так и на границе раздела "электрод - кожный покров". Поляризационные процессы вызывают появление поляризационных потенциалов, включаемых в цепь измерения сопротивления точки акупунктуры, что приводит к изменению регистрируемых разностей потенциалов и дополнительно снижает точность измерения электрокожного сопротивления. При этом значение поляризационных потенциалов будет зависеть от измерительного тока, который в известном способе не нормируется, времени измерения и используемых электродов.

Таким образом, основным недостатком известного способа-аналога является низкая точность измерения электрокожного сопротивления.

Наиболее близким к изобретению по достигаемому результату является способ измерения электрокожного сопротивления точек акупунктуры по а.с. СССР N 1683745 A1, кл. A 61 H 39/02, заявлен 17.11.88 г., включающий наложение на точку акупунктуры измерительного электрода и вне ее двух дополнительных электродов, определение разности потенциалов между измерительным и каждым из дополнительных электродов и сравнение их по модулю, дополнительный электрод, потенциал которого относительно измерительного электрода имеет по модулю большее значение, называют первым дополнительным электродом, включение между измерительным и первым дополнительным электродами калиброванного резистора, измерение разности потенциалов между измерительным и вторым дополнительным электродами, и падения напряжения на калиброванном резисторе, и вычисление значение электрокожного сопротивления R_ТА точки акупунктуры по формуле:

где
U₁ - разность потенциалов между измерительным и вторым дополнительным электродом при отключенном калиброванном резисторе;
U₂ - то же, при подключенном калиброванном резисторе;
U₃ - падение напряжения на калиброванном резисторе;
R - сопротивление калиброванного резистора.

Названный способ выбран в качестве прототипа заявленного способа как совпадающий с ним по максимальному числу признаков.

В способе-прототипе за счет выбора дополнительного электрода, к которому следует подключать калиброванный резистор обеспечивается повышение точности измерений за счет значительного уменьшения составляющей погрешности от влияния входного сопротивления милливольтметра.

Недостатком известного способа является недостаточная точность измерения.

За счет влияния входного сопротивления милливольтметра погрешность измерения по известному способу определятся выражением (1), приведенным в описании авторского свидетельства:

где
Z₁ и Z₂ - сопротивления кожного покрова под первым и вторым дополнительными электродами;
R_вх - входное сопротивление милливольтметра.

Для реальных значений сопротивлений при большом входном сопротивлении милливольтметра (R_вх = 100 МОм) погрешность измерения способа-прототипа определяется единицами процентов. Так при сопротивлениях: Z_ТА = 50 кОм; Z₁ = Z₂ = 300 кОм; R = 500 кОм погрешность измерения по способу-прототипу будет составлять значение γ = 6% . При использовании милливольтметра с меньшим входным сопротивлением погрешность измерения будет возрастать пропорционально уменьшению входного сопротивления, и при входном сопротивлении R_вх = 30 МОм (что вполне реально при использовании способа) погрешность будет составлять значение γ = 20% .
Кроме того в способе-прототопе как и в способе-аналоге через ЭКС ТА проходит постоянный измерительный ток. В результате этого на точность измерения ЭКС при использовании способа-прототипа также оказывают влияние поляризационные процессы, которые приводят к появлению поляризационных потенциалов, изменяющих регистрируемые разности потенциалов, что дополнительно снижает точность измерения электрокожного сопротивления. При этом значение поляризационных потенциалов будет зависеть от измерительного тока, который в известном способе-прототипе не нормируется, времени измерения и от используемых электродов.

Таким образом, недостатки известных способов определяются низкой точностью измерения электрокожного сопротивления.

Целью изобретения является повышение точности измерения электрокожного сопротивления.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения электрокожного сопротивления точек акупунктуры, включающему наложение на точку акупунктуры измерительного и вне ее двух дополнительных электродов, подключение калиброванного резистора с известным сопротивлением между измерительным и одним из дополнительных электродов, измерение разности потенциалов между измерительным и вторым дополнительным электродами, измерение падения напряжения на калиброванном резисторе и вычисление по результатам измерений значения электрокожного сопротивления точки акупунктуры, между измерительным и первым дополнительным электродами включают калиброванный резистор, состоящий из последовательного соединения постоянного и переменного калиброванных резисторов, дополнительно осуществляют периодическое изменение сопротивления переменного калиброванного резистора с заданной частотой в выбранном диапазоне сопротивлений и измерение переменных составляющих падений напряжений между измерительным и вторым дополнительным электродами и на постоянном калиброванном резисторе, и по значениям падений напряжений и сопротивлению постоянного калиброванного резистора определяют электрокожное сопротивление точки акупунктуры.

При таком выполнении способа измерения электрокожного сопротивления за счет периодического измерения сопротивления переменного калиброванного резистора с заданной частотой в выбранном диапазоне сопротивлений обеспечивается измерение электрокожного сопротивления на переменном измерительном токе, что исключает погрешности измерения за счет поляризационных потенциалов и влияния входного сопротивления милливольтметра, а следовательно, повышает точность измерения.

Способ заключается в том, что на исследуемый кожный покров в зоне точки акупунктуры накладывают измерительный электрод и вне ее два дополнительных электрода и закрепляют их на теле пациента. Между измерительным и первым дополнительным электродом включают калиброванный резистор, состоящий из последовательного соединения постоянного и переменного калиброванных резисторов сопротивлением 100 - 500 кОм, периодически изменяют сопротивление переменного калиброванного резистора с заданной частотой в выбранном диапазоне сопротивлений. С помощью милливольтметра переменного тока с большим входным сопротивлением (100 МОм и более) определяют амплитуды падений напряжений U₁ - на постоянном калиброванном резисторе и U₂ - между измерительным и вторым дополнительным электродами. После чего вычисляют значение электрокожного сопротивления Z_ТА точки акупунктуры по формуле:

где
U₁ - амплитуда падения напряжения на постоянном калиброванном резисторе;
U₂ - амплитуда падения напряжения между измерительным и вторым дополнительным электродами;
R₀ - сопротивление постоянного калиброванного резистора.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена функциональная схема конкретной реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 - эквивалентные схемы измерительных цепей прохождения электрического тока при измерении падений напряжений в предлагаемом способе.

Согласно предлагаемому способу в виде узла 1 представлена эквивалентная схема замещения участка кожного покрова, измерительный электрод 2, первый и второй дополнительные электроды 3, 4, калиброванный резистор 5, переменный калиброванный резистор 6, постоянный калиброванный резистор 7, коммутатор 8 и милливольтметр 9 переменного тока.

Схема 1 замещения кожного покрова представлена в виде модели Шеффера (см. Macs Phillippe. Изучение импеданса кожи человека для низкочастотных токов. - These. dat. Ing. Univ. Nancy, 1973. - 96 p.), где E₁, E₂ и E₃ - электрокожные потенциалы, а Z_x, Z₁ и Z₂ - электрокожные сопротивления в точках расположения измерительного электрода 2 - (A1 - точке акупунктуры) и дополнительных электродов 3, 4 (в индифферентных точках кожного покрова A₂ и A₃) соответственно.

Дополнительные электроды 3, 4 закрепляют в выбранной индифферентной зоне кожного покрова, а измерительный электрод 2 - в точке акупунктуры. Затем подключают между измерительным электродом 2 и первым дополнительным электродом 3 калиброванный резистор 5, состоящий из последовательно включенных переменного калиброванного резистора 6 и постоянного калиброванного резистора 7. При этом по электрической цепи между измерительным электродом 2 и первым дополнительным электродом 3 будет протекать электрический ток I, значение которого можно определить на основе закона Ома для полной цепи, рассматривая контур прохождения тока:

где
R - сопротивление калиброванного резистора 5.

При периодическом изменении сопротивления калиброванного резистора 5 на выбранное значение 2ΔR путем изменения сопротивления переменного резистора 6 с частотой F в диапазоне от
R_max= R_cp+ΔR = R₀+2ΔR
до
R_min= R_cp-ΔR = R₀,
где
R_cp= R₀+ΔR - среднее значение калиброванного резистора 5, R₀ - сопротивление постоянного калиброванного резистора 7, 2ΔR - сопротивление переменного калиброванного резистора 6, будет периодически изменяться ток I в диапазоне от I_max до I_min. Частота F периодического изменения переменного калиброванного резистора выбирается равной частоте переменного измерительного сигнала в зависимости от условий экспериментальных исследований (например F = 100 Гц).

Максимальное значение тока I_max будет соответствовать минимальному сопротивлению R_min калиброванного резистора 5:

Соответственно, минимальное значение протекающего тока I_min, будет соответствовать максимальному значению сопротивления калиброванного резистора 5:

Таким образом при периодическом изменении сопротивления калиброванного резистора 5 с частотой F также будет изменяться электрический ток I, проходящий в цепи между измерительным 2 и первым дополнительным 3 электродами. При этом, среднее значение тока I₀ и его амплитуду ΔI можно найти:


Подставляя в выражения (5), (6) значения токов из выражений (3), (4) получим следующее:


Изменяющийся ток в анализируемой цепи можно рассматривать как сумму двух токов: постоянного I₀ и переменного с амплитудой ΔI. Этот ток будет замыкаться через сопротивление точки акупунктуры Z_x.

При прохождении тока через сопротивление точки акупунктуры Z_x на сопротивлении будет создаваться падение напряжения как от постоянной I₀ так и от переменной ΔI составляющих.

Если с помощью милливольтметра 9 переменного тока провести измерение падения напряжения меду точками A₁ и A₃ расположения измерительного 2 и второго дополнительного 4 электродов, то милливольтметр 9 зарегистрирует следующее значение напряжения:

Переключая милливольтметр 9 с помощью коммутатора 8 к постоянному калиброванному резистору 7 можно измерить падение напряжения U₁ от переменной составляющей тока на постоянном калиброванном резисторе 7, которое можно получить, вычисляя падения напряжений на постоянном калиброванном резисторе 7 при минимальном U_imax и максимальном U_imin значениях калиброванного резистора 5:

Т. к. сопротивление постоянного R₀ и переменного 2ΔR калиброванных резисторов известны, то по напряжению U₁ можно определить значение переменной составляющей тока ΔI, протекающего по контуру между точками A₁ и A₂ при периодическом изменении сопротивления переменного калиброванного резистора 6:

И на основании выражений (9), (11) можно определить сопротивление Z_ТА точки акупунктуры:

Предлагаемый способ повышает точность измерения электрокожного сопротивления точек акупунктуры за счет исключения влияния на результат поляризационных процессов. Выражения (9) - (12) показывают, что регистрируемое по способу сопротивление точки акупунктуры не зависит от суммарной контурной электродвижущей силы (E₁ - E₂) в цепи прохождения тока между измерительным 2 и первым дополнительным 3 электродами, а следовательно, ее изменение за счет поляризационных потенциалов не влияет на определяемое по способу сопротивление точки акупунктуры.

Кроме того в предлагаемом способе значительно уменьшается погрешность измерения от шунтирующего влияния входного сопротивления, используемого при реализации способа милливольтметра 9 переменного тока.

Для оценки погрешности измерения за счет влияния входного сопротивления R_вх милливольтметра 9 рассмотрим эквивалентные схемы прохождения электрического тока при измерении падений напряжений.

На фиг. 2а приведена эквивалентная схема измерительной цепи при измерении напряжения U₁, на фиг. 2б - при измерении напряжения U₂.

При измерении напряжения U₁ входное сопротивление R_вх милливольтметра 9 подключается параллельно постоянному калиброванному резистору 7. При большом входном сопротивлении милливольтметра 9 (R_вх >> R₀) протекающий в цепи ток I'_i можно записать в виде:

И напряжение U_iпост от протекающего постоянного тока I'_i, будет равно:

Переменную составляющую падения напряжения U₁ при изменении сопротивления переменного калиброванного резистора 6 можно будет представить в виде:
U₁= U_1постmax-U_1постmax/2,
или


При измерении падения напряжения U₂ милливольтметр 9 подключается к точкам A₁, A₃ (фиг. 2б).

Для определения напряжения U₂ воспользуемся методом контурных токов. Выбирая направления токов в контурах I и II и задаваясь контурными токами I₁ и I₃ можно записать уравнения:
(Z_x + Z₁ + R)I₁ - (Z₁ + R)I₃ = E₁ - E₂ (15)
- (Z₁ + R)I₁ + (Z₁ + Z₂ + R + R_вх)I₃ = E₂ - E₃ (16)
Прибавляя к обеим частям уравнения (16) выражение (- Z_xI₁) и складывая полученное уравнение с уравнением (15) для тока I₁ получим:
(17)
Подставляя выражение (17) в выражение (16), и преобразовывая относительно I₃ получим:

Пренебрегая в выражении (18) из условий: R_вх >> Z₂, R_вх(Z_x + Z₁ + R) >> Z_x(Z₁ + Z₂ + R), соответствующими значениями для тока I₃ запишем:

Падение напряжения от постоянного тока между точками A₁ и A₃ - U_2пост можно найти из произведения:

или

Преобразовывая выражение (20) (прибавляя к обеим частям уравнения значение Z_x(E₁ - E₂)/(Z_x + Z₁ + R) получим:

Переменную составляющую напряжения U₂ можно определить в виде:

Подставляя в выражение (22) соответствующие значения, полученные на основании выражения (21) при изменении сопротивления калиброванного резистора 5 в пределах от R₀ до R₀+2ΔR получим следующее:

По значениям напряжений U₁, U₂ и сопротивления R₀ определяем сопротивление точки акупунктуры, используя выражения (14) и (23):

Выражение (24) показывает, что с учетом принятых допущений на погрешность измерения не влияет входное сопротивление милливольтметра 9. При этом погрешность измерения за cчет шунтирующего действия входного сопротивления милливольтметра 9 определяется сделанными при выводе выражения (24) допущениями, анализ которых показывает, что погрешность измерения за счет входного сопротивления милливольтметра определяется выражением (25), полученным на основании выражения (18) путем определения процентного соотношения выражений, пренебрегаемых при выводе формулы погрешности измерения:

И для реальных значений сопротивлений при сопротивлениях: Z_ТА = 50 кОм; Z₁ = Z₂ = 300 кОм; R = 500 кОм; R_вх = МОм погрешность измерения по предлагаемому способу будет составлять 0,35%.

Таким образом предлагаемый способ обеспечивает измерение с минимальной погрешностью от шунтирующего действия входного сопротивления милливольтметра 9, значительно меньшей погрешности измерения при использовании способа-прототипа. Это позволяет использовать для реализации предлагаемого способа милливольтметр 9 с более низким входным сопротивлением, что упрощает и удешевляет аппаратурную реализацию предлагаемого способа. Так при использовании милливольтметра 9 с входным сопротивлением R_вх = 30 Мом и выше отмеченном сочетании сопротивлений погрешность измерения за счет шунтирующего действия милливольтметра составит 1,2% (в способе-прототипе при аналогичных условиях погрешность измерения может достигать 20%), что вполне приемлемо для любых диагностических систем, использующих методы электропунктуры. При этом в предлагаемом способе не требуется проводить функциональный выбор дополнительных электродов, что сокращает время измерений. Кроме того исключение погрешностей от поляризационных процессов в отличие от способа-прототипа при использовании предлагаемого способа позволяет получать высокую точность измерения при выборе любого типа электродов и неограниченном времени проведения диагностических исследований, что позволяет на основе предлагаемого способа реализовать системы для долговременного контроля за состоянием пациентов в специализированных диагностических комплексах.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает высокую точность измерения электрокожного сопротивления и может быть широко использован при создании приборов для диагностических систем, использующих методы диагностики по электрокожному сопротивлению, например, при реализации методов электропунктуры.

Способ измерения электрокожного сопротивления относится к медицинской технике, обеспечивает повышение точности измерения электрокожного сопротивления. Способ основан на подключении между измерительным и первым дополнительным электродами последовательно включенных постоянного и переменного калиброванных резисторов, измерении падений напряжений между измерительным и вторым дополнительным электродами и на постоянном калиброванном резисторе при периодическом изменении сопротивления переменного калиброванного резистора и вычислении электрокожного сопротивления по полученным значениям падений напряжений и сопротивлению постоянного калиброванного резистора. Новым в способе является периодическое изменение значения сопротивления переменного калиброванного резистора с заданной частотой и измерение переменных составляющих падений напряжений. Это дало возможность повысить точность измерения за счет уменьшения погрешностей от влияния входного сопротивления милливольтметра и поляризационных потенциалов. Способ может быть использован при создании диагностических приборов, основанных на методах электропунктуры. 2 ил.

Способ измерения электрокожного сопротивления точек акупунктуры, включающий наложение на точку акупунктуры измерительного и вне ее двух дополнительных электродов, подключение калиброванного резистора с известным сопротивлением между измерительным и одним из дополнительных электродов, измерение разности потенциалов между измерительным и вторым дополнительным электродами, измерение падения напряжения на калиброванном резисторе и вычисление по результатам измерений значения электрокожного сопротивления точки акупунктуры, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, между измерительным и первым дополнительным электродами включает калиброванный резистор, состоящий из последовательного соединения постоянного и переменного калиброванных резисторов, дополнительно осуществляют периодическое изменение сопротивления переменного калиброванного резистора с заданной частотой в выбранном диапазоне сопротивлений и измерение переменных составляющих падений напряжений между измерительным и вторым дополнительным электродами и на постоянном калиброванном резисторе и по значениям падений напряжений и сопротивлению постоянного калиброванного резистора вычисляют значение электрокожного сопротивления Z_TA точки акупунктуры по формуле
Z_TA = R₀ U₂/U₁,
где U₁ - амплитуда падения напряжения на постоянном калиброванном резисторе;
U₂ - амплитуда падения напряжения между измерительным и вторым индифферентным электродом;
R₀ - сопротивление постоянного калиброванного резистора.