Изобретение относится к медицине, а именно к определению, измерению и регистрации для диагностических целей, и может быть использовано для измерения электрического сопротивления тканей организма, в частности в зубоврачебной практике.
Известен способ измерения биопотенциала, который реализует устройство, содержащее формирователь постоянного напряжения, используемого в качестве опорного сигнала, и подключенный к его выходу измерительный датчик. Датчик взаимодействует с поверхностью кожи и таким образом воздействует на нее опорным сигналом. Сигнал, формируемый в ответ на воздействие на исследуемом участке кожи, с датчика поступает на индицирующее устройство. По величине биопотенциала можно судить о величине электрического сопротивления ткани (РСТ, м.з. N 89/02245, A 61 B 5/04, 23.03.89 "Изобретения стран мира", N 23, 1989, c.58).
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения дифференциальной биологической проводимости живых тканей (ЧССР, а.с. N 257872, A 61 B 5/04, "Изобретения стран мира", N 4, 1989, с. 24). Устройство содержит генератор частоты с постоянной амплитудой, подключенный через дифференциальную схему конденсаторами к ткани, и устройство обработки зарегистрированного сигнала, содержащее измерительный емкостной датчик, подключенный к входу дифференциального усилителя, выход которого подключен к выпрямителю, соединенному выходом с индицирующим устройством. Анализ работы известного устройства показал следующее. Генератор формирует переменный сигнал низкой частоты. Посредством дифференциальной схемы и подключенных к ее выходам конденсаторам на участке кожи формируется стимулирующая разность потенциалов, отклик которой в контролируемой зоне регистрируют вторые конденсаторы, подключенные ко входам дифференциального усилителя. Последний формирует и усиливает разность сигналов со вторых конденсаторов и подает на выпрямитель. Выпрямленный сигнал поступает на индицирующее устройство.
Недостаток известных устройств заключается в следующем. Известно, что живая ткань состоит из клеток, окруженных межклеточной средой. При этом каждая клетка окружена мембраной, обладающей поверхностной емкостью и поверхностным сопротивлением. Межклеточная среда также характеризуется сопротивлением и емкостью (А.С.Пресман "Электромагнитные поля и живая природа", М.: Наука, 1968, с. 33,34, рис. 12). При воздействии на живую ткань напряжением низкой частоты большая часть измерительного тока, а при воздействии постоянным напряжением - весь ток, протекает через омическое сопротивление межклеточной среды, что для постоянного напряжения исключает полностью, а для низкочастотного напряжения практически исключает из измерительной цепи емкостное сопротивление, характеризующее ткань ("Биофизика" под редакцией Б.Н. Тарусова и О. Р. Кольс, М. : Высшая школа, 1968, с. 193-197; А.С.Пресман "Электрические поля и живая природа, М.: Наука, 1968, с. 35). В результате устройство по м. з. РСТ N 89/02245 позволяет измерить только активную составляющую электрического сопротивления живой ткани, что снижает как достоверность результатов измерения, так и их информативность.
Устройство по а.с. ЧССР N 257872 позволяет зафиксировать незначительную часть реактивной составляющей электрического сопротивления ткани и практически измеряет активную составляющую, что также снижает как достоверность результатов измерения, так и их информативность.
Кроме того, прохождение через живую ткань как постоянного тока, так и тока низкой частоты вызывает в ткани явление поляризации (А.С.Пресман "Электромагнитные поля и живая природа", М.: Наука, 1968, с.33; "Биофизика" под редакцией Б.Н.Тарусова и О.Р.Кольс, М.: Высшая школа, 1968, с. 191). В случае наличия в исследуемой ткани поляризации, возникшей по какой-либо причине, привносимая измерительным сигналом дополнительная поляризация вносит погрешность в результат измерения, что снижает его достоверность. Наиболее часто эффект поляризации в ткани встречается в зубоврачебной практике при заболевании ротовой полости (воспаление слизистой оболочки, отек). Паразитная поляризация возникает на разделе двух сред: материал протеза - слизистая ротовой полости или слизистая протезного ложа и т.п. В этом случае дополнительная поляризация измерительным сигналом исследуемой ткани не только вносит погрешность в результат измерения электрического сопротивления, но и усугубляет состояние больного. Это снижает достоверность результатов измерения и ограничивает область использования известных устройств.
Таким образом, известные устройства при реализации не обеспечивают достижение технического результата, заключающегося в повышении достоверности результатов измерения электрического сопротивления живой ткани, в повышении их информативности и в расширении области использования.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания устройства для измерения электрического сопротивления живой ткани, осуществление которого обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в возможности повышения достоверности результатов измерения электрического сопротивления живой ткани за счет возможности измерения импеданса живой ткани, в повышении информативности результатов измерения, а также в расширении области использования.
Суть изобретения заключается в том, что в устройстве для измерения электрического сопротивления живой ткани, включающем измерительный датчик, источник электрических сигналов, устройство обработки зарегистрированного сигнала, выполненное с возможностью выделения постоянной составляющей и усиления, источник электрических сигналов выполнен в виде генератора колебаний с возможностью одновременной генерации колебаний нескольких частот в диапазоне от 104 до 106 Гц, при этом частота 106 Гц стабилизирована, кроме того, в устройство дополнительно введены нелинейный преобразователь сигнала и индикатор измерительного тока, при этом источник электрических сигналов входом подключен к измерительному датчику, а выходом подключен ко входу нелинейного преобразователя сигналов, выход которого подключен к входу устройства обработки зарегистрированного сигнала, к первому входу которого подключен индикатор измерительного тока, а второй выход является выходом устройства. Кроме того, источник электрического сигнала выполнен с возможностью одновременной генерации колебаний трех частот и содержит кварцевый резонатор, конденсатор переменной емкости, первую и вторую параллельные RC-цепи, первый и второй элементы И-НЕ, при этом кварцевый резонатор и конденсатор переменной емкости соединены последовательно, а свободными выводами подключены соответственно ко входу первого и к выходу второго элементов И-НЕ, соединенного входами с выходом первого элемента И-НЕ, входы которого являются входом источника сигналов, выход которого является выходом второго элемента И-НЕ, кроме того, каждый элемент И-НЕ охвачен обратной связью посредством соответственно первой и второй параллельных RC-цепей. При этом устройство обработки зарегистрированного сигнала содержит транзистор, переменный резистор, первый и второй резисторы, трансформатор, выпрямитель и усилитель постоянного тока, при этом у переменного резистора один вывод подключен ко входу устройства обработки, второй - заземлен, а подвижный вывод соединен с базой транзистора, у которого коллектор подключен через первый резистор к первому выходу устройства обработки, а эмиттер, первичная обмотка трансформатора и второй резистор соединены последовательно, причем свободный вывод второго резистора заземлен, а вторичная обмотка трансформатора подключена ко входу выпрямителя, к выходу которого подключен усилитель постоянного тока, выход которого является выходом устройства обработки. Нелинейный преобразователь сигнала содержит третий и четвертый элементы И-НЕ и конденсатор, при этом входы третьего элемента И-НЕ являются входом преобразователя, а выход соединен со входами четвертого элемента И-НЕ, выход которого является выходом преобразователя, кроме того, ко входам четвертого элемента И-НЕ подключен конденсатор, второй вывод которого заземлен.
Технический результат достигается следующим образом. Подключение источника электрических сигналов входом к измерительному датчику обеспечивает подключение параллельно входу источника сигналов исследуемого участка ткани при взаимодействии с ней измерительного датчика, а следовательно, подключение ко входу источника сигналов электрического сопротивления и емкости, характеризующих ткань. Благодаря тому что источник электрических сигналов выполнен в виде генератора колебаний, R и C - параметры ткани, привнесенные в его колебательную систему, приводят к срыву колебаний на основных частотах и к возникновению колебаний на комбинационных частотах и на частотах гармонических составляющих. При этом параметры и характер вынужденных колебаний находятся в прямой зависимости от величины активного и емкостного сопротивлений исследуемой ткани, что обеспечивает возможность измерения импеданса живой ткани. Возможность одновременного генерирования колебаний нескольких частот источником электрических сигналов позволяет, кроме того, выбрать диапазон частот генерации, наиболее адекватный организму с точки зрения измерения электрического сопротивления живой ткани. Благодаря тому что генератор формирует колебания с частотами в диапазоне от 104 до 106 Гц, который относится к радиочастотному диапазону, при взаимодействии измерительного датчика с исследуемой тканью на последнюю воздействует высокочастотный сигнал, что исключает поляризацию тканей и не изменяет ее естественного состояния. В результате повышается достоверность результатов измерения. Воздействие высокочастотным сигналом включает в измерительную цепь не только активное и емкостное сопротивления внеклеточной среды, но и активное и емкостное сопротивления внутриклеточной среды, так как по мере возрастания частоты внутриклеточное содержание принимает все большее участие в электрическом сопротивлении, что позволяет наиболее полно измерить импеданс исследуемой ткани, а следовательно, повышает достоверность результатов измерения электрического сопротивления. Кроме того, в диапазоне частот от 104 до 106 Гц изменение частоты сигнала воздействия на живую ткань в ту или иную сторону вызывает заметное изменение величины электрического сопротивления ткани, что также повышает достоверность результатов измерения. При этом расширение верхней границы диапазона нецелесообразно, поскольку при дальнейшем повышении частоты сопротивление живой ткани практически не изменяется (А.С.Пресман "Электромагнитные поля и живая природа", М.: Наука, 1968, с. 34, рис. 13; с. 36; "Биофизика" под редакцией Тарусова Б.Н. и Кольс О.Р., М.: Высшая школа, 1968, с.188-210). Поскольку на высоких частотах все большее участие в электрическом сопротивлении принимает внутриклеточное содержимое ткани, то измеренное сопротивление содержит в себе информацию о микроциркуляции и обмене веществ на клеточном уровне, что позволяет по величине измеренного сопротивления оценить состояние ткани, что повышает информативность результата измерения и расширяет область использования устройства. Кроме того, частота 106 Гц является частотой релаксации, связанной с белком воды, например, слизистая ротовой полости, десен (Б.Н.Тарусов и О.Р.Кольс, М.: Высшая школа, 1968, с.188-210), что позволяет по величине измеренного сопротивления оценить состояние слизистой оболочки живой ткани (воспаление, отек). При этом, поскольку формируемый диапазон частот при воздействии не вызывает явления поляризации в ткани, т.е. не изменяет ее естественного состояния, это позволяет использовать предлагаемое устройство для измерения электрического сопротивления ткани при наличии в исследуемой ткани паразитной поляризации, что повышает достоверность измерения, а также расширяет область использования устройства, в частности, позволяет использовать устройство в стоматологии для анализа состояния слизистой оболочки полости рта и десен.
При этом поскольку для живых клеток характерно изменение импеданса в зависимости от частоты воздействующего переменного тока, так как под действием переменного тока происходит изменение как реактивной, так и активной составляющих электрического сопротивления живой ткани (Б.Н.Тарусов и О. Р. Кольс, М.: Высшая школа, 1968, с. 197), то благодаря возможности генератора одновременно генерировать колебания нескольких частот в диапазоне от 104 до 106 Гц его выходной сигнал содержит информацию, характеризующую импеданс ткани на формируемых частотах, что повышает достоверность и информативность результата измерения. Стабилизация частоты 106 Гц обеспечивает помехоустойчивость источника электрических сигналов, что повышает достоверность результатов измерения. В источнике электрических сигналов стабилизация частоты 106 Гц обеспечивается кварцевым резонатором. Последовательное соединение в кольцо кварцевого резонатора, конденсатора переменной емкости и элементов И-НЕ, первого и второго, образует колебательный контур с частотой колебаний 106 Гц. Благодаря тому что каждый из элементов И-НЕ охвачен обратной связью посредством первой и второй RC-цепи, обеспечивается одновременное генерирование колебаний на трех частотах в диапазоне от 104 до 106 Гц.
Благодаря тому что в устройство введен нелинейный преобразователь сигнала, подключенный к выходу источника электрических сигналов, обеспечивается возможность трансформации высокочастотного колебательного сигнала, формируемого на выходе источника, в низкочастотный, что позволяет снизить величину погрешности, вносимую устройством обработки зарегистрированного сигнала в результат измерения, поскольку обработка сигнала на низкой частоте повышает помехоустойчивость устройства, не требует специальных мер по организации помехозащищенности, что характерно для высокочастотного сигнала, и упрощает реализацию устройства в целом. В результате повышается достоверность результатов измерения. Благодаря тому что выходной сигнал источника электрических сигналов поступает в преобразователе на входы третьего элемента И-НЕ, последний, обладая нелинейными свойствами, обогащает выходной сигнал высокочастотными колебаниями на комбинационных частотах. Соединение выхода третьего элемента И-НЕ со входами четвертого элемента И-НЕ, а также подключение к входам второго элемента И-НЕ конденсатора, вторая обкладка которого заземлена, обеспечивают прохождение на входы четвертого элемента И-НЕ практически только колебаний разностных комбинационных частот, а колебания суммарных частот отфильтровывает конденсатор. Четвертый элемент И-НЕ обогащает поступивший на его вход суммарный колебательный сигнал разностных частот колебаниями на комбинационных частотах, трансформируя его тем самым в еще более низкую область частот. При этом обогащение выходного сигнала преобразователя колебаниями на комбинационных частотах обеспечивает более заметное изменение уровня выходного сигнала, поскольку устройство обработки сигнала, на вход которого он поступает, выполнено с возможностью выделения постоянной составляющей, что повышает достоверность результатов измерения. Кроме того, поскольку колебания на комбинационных частотах является результатом преобразования исходных высокочастотных колебаний нескольких частот, то низкочастотные колебания на комбинационных частотах отражают все изменения параметров исходных высокочастотных колебаний, явившихся результатом взаимодействия измерительного датчика с тканью, что обеспечивает адекватность уровня выходного сигнала электрическому сопротивлению ткани, а следовательно, обеспечивает достоверность результатов измерений.
Благодаря тому что в устройстве обработки зарегистрированного сигнала параллельно входу подключен переменный резистор, подвижный контакт которого соединен с базой транзистора, эмиттер которого соединен последовательно с первичной обмоткой трансформатора, заземленной через резистор, обеспечивается протекание через переход база-эмиттер и первичную обмотку трансформатора тока, обусловленного выходным сигналом преобразователя. Соединение вторичной обмотки трансформатора со входом выпрямителя, к выходу которого подключен усилитель постоянного тока, обеспечивает выделение постоянной составляющей и усиление.
Резистор в коллекторной цепи транзистора обеспечивает возможность задания электрического режима по коллекторному току. Поскольку ток, протекаемый в коллекторной цепи, отражает изменения амплитуды колебательного сигнала в переменном резисторе базы, которые, как было показано выше, отражают изменения исходного колебательного сигнала, являющиеся результатом взаимодействия датчика с исследуемой тканью, то ток, протекающий в коллекторной цепи, всегда соответствует вполне определенному режиму измерения. Введение в устройство индикатора измерительного тока и подключение его к первому выходу устройства обработки обеспечивает возможность фиксации уровня напряжения на выходе устройства при достижении заданного режима по коллекторному току транзистора, что обеспечивает возможность выполнения повторяемости условий измерения электрического сопротивления и повышает достоверность измерений.
Таким образом, в предлагаемом устройстве для измерения электрического сопротивления живой ткани благодаря тому, что источник электрических сигналов выполнен в виде генератора колебаний с возможностью одновременной генерации колебаний нескольких частот в диапазоне от 104 до 106 Гц, обеспечивается не только возможность формирования сигнала воздействия на исследуемую ткань, но и возможность формирования сигнала, содержащего информацию о величине электрического сопротивления ткани. При этом высокочастотный сигнал при воздействии на живую ткань включает в измерительную цепь не только внеклеточную среду, но и внутриклеточное содержимое, что позволяет измерить импеданс ткани и тем самым повысить достовеpность результатов измерения величины электрического сопротивления. Кроме того, воздействие высокочастотного сигнала на живую ткань не вызывает в ней поляризации, что позволяет расширить область использования устройства. Кроме того, достоверность результатов измерения повышает возможность обработки результатов измерения на низкой частоте, а также возможность выполнения повторяемости условий измерения. Отсюда следует, что предлагаемое устройство для измерения электрического сопротивления живой ткани при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении достоверности результатов измерения, а повышении их информативности и в расширении области использования.
На чертеже изображена принципиальная схема устройства для измерения электрического сопротивления живой ткани.
Устройство для измерения электрического сопротивления живой ткани содержит измерительный датчик 1, источник электрических сигналов 2, нелинейный преобразователь сигнала 3, устройство обработки зарегистрированного сигнала 4 и индикатор измерительного тока 5. Источник 2 электрических сигналов входом подключен к измерительному датчику 1, а выходом - ко входу нелинейного преобразователя 3, выход которого подключен ко входу устройства обработки 4, к первому выходу которого подключен индикатор измерительного тока 5, а второй выход 6 - является выходом устройства.
Источник электрического сигнала 2 содержит кварцевый резонатор 7, конденсатор 8 переменной емкости, первую 9, 10 и вторую 11, 12 параллельные RC-цепи, первый 13 и второй 14 элементы И-НЕ. Кварцевый резонатор 7 и конденсатор 8 соединены последовательно, а свободными выводами подключены соответственно ко входу первого 13 и к выходу второго 14 элементов И-НЕ, который соединен входами с выходом первого элемента И-НЕ 13, входы которого являются входом источника 2. Выход второго элемента И-НЕ 14 является выходом источника 2. Кроме того, каждый элемент И-НЕ 13, 14 охвачен обратной связью посредством первой 9, 10 и второй 11, 12 параллельных RC-цепей.
Нелинейный преобразователь сигнала 3 содержит третий 15 и четвертый 16 элементы И-НЕ и конденсатор 17. Входы третьего элемента 15 И-НЕ являются входом преобразователя 3, а выход соединен со входами четвертого 16 элемента И-НЕ, выход которого является выходом преобразователя 3. Кроме того, ко входам четвертого 16 элемента И-НЕ подключена одна из обкладок конденсатора 17, а вторая обкладка заземлена.
Устройство обработки сигнала 4 содержит транзистор 18, переменный резистор 19, первый 20 и второй 21 резисторы, трансформатор 22, выпрямитель 23 и усилитель постоянного тока 24. У переменного резистора 19 один вывод подключен ко входу устройства обработки 4, второй вывод заземлен, а подвижный вывод соединен с базой транзистора 18, у которого коллектор через первый 20 резистор подключен к первому выходу устройства обработки 4, а эмиттер, первичная обмотка трансформатора 22 и второй резистор 21 соединены последовательно. Свободный вывод второго 21 резистора заземлен. Вторичная обмотка трансформатора 22 подключена ко входу выпрямителя 23, к выходу которого подключен усилитель постоянного тока 24, выход которого является выходом 6 устройства.
Измерительный датчик 1 может быть выполнен, например, в виде активного 25 и пассивного 26 электродов.
В качестве индикатора измерительного тока 5 может быть использован светодиод, подключенный минусом к первому выходу устройства обработки 4, а плюсом - к плюсу источника питания, т.е. светодиод включен к коллекторную цепь транзистора 18.
Устройство работает следующим образом. В примере выполнения устройства источник электрических сигналов 2 выполнен в виде генератора колебаний с возможностью одновременной генерации колебаний на трех частотах: 106, 105 и 104 Гц. Частоту 106 Гц формирует кварцевый генератор, состоящий из кварцевого резонатора 7, конденсатора 8 переменной емкости, выполняющего функцию подстроечного, и последовательно соединенных элементов И-НЕ 13, 14 в цепи обратной связи. Элементы И-НЕ 13, 14 выполняют функцию нелинейных усилителей, для чего входы каждого из них объединены. Генерация частот 105 и 104 Гц обеспечивает выбор параметров RC-цепей 9, 10 и 11, 12, обратных связей, которыми охвачены каждый из элементов И-НЕ 13, 14 соответственно. В результате колебательный сигнал, формируемый источником 2, представляет собой сумму трех синусоид с частотами 104, 105 и 106 Гц. Стабилизацию частоты 106 Гц обеспечивает использование кварцевого резонатора 7. Частота 105 Гц соответствует средней точке частотного диапазона от 104 до 106 Гц, в котором измеряют величину сопротивления исследуемой ткани (А.С. Пресман "Электромагнитные поля и живая природа", М.: Наука, 1968, с. 34, рис. 13).
В исходном состоянии после включения источника питания на выходе источник электрических сигналов 2 формирует высокочастотный колебательный сигнал, представляющий собой сумму трех синусоид с частотами 104, 105 и 106 Гц, который поступает на входы третьего 15 элемента И-НЕ нелинейного преобразователя сигнала 3. Колебательный сигнал при прохождении через элемент И-НЕ 15 благодаря нелинейным свойствам последнего обогащается высокочастотными колебаниями на комбинационных частотах. В результате на своем выходе элемент 15 И-НЕ формирует колебательный сигнал, представляющий собой сумму синусоидальных колебаний на основных и комбинационных частотах. Далее конденсатор 17, подключенный параллельно входу четвертого элемента И-НЕ 16, отфильтровывает из суммарного сигнала колебания суммарных комбинационных частот, а колебания разностных комбинационных частот проходят на вход четвертого 16 элемента И-НЕ, который так же в результате нелинейности характеристики обогащает проходящий через него сигнал колебаниями на комбинационных частотах. Результирующий колебательный сигнал с выхода четвертого элемента И-НЕ 16 протекает через переменный резистор 19, обуславливая протекание переменного тока по цепи: база-эмиттер транзистора 18 - первичная обмотка трансформатора 22 - резистор 21. Индуцируемый во вторичной обмотке трансформатора 22 ток поступает на вход выпрямителя 23. Выделенную постоянную составляющую усиливает усилитель 24 постоянного тока. На выходе 6 устройства устанавливается уровень напряжения.
Режим транзистора 18 по коллекторному току устанавливают один раз подбором резистора 20 в цепи коллектора и регулировкой подвижным контактом падения напряжения на резисторе 19. Индикацию величины тока для заданного режима измерения осуществляет светодиод 5. За исходный уровень отсчета принимают уровень напряжения на выходе 6, установившийся после загорания светодиода 5.
После установки на выходе 6 устройства обработки 4 уровня отсчета, измерительный датчик 1 приводят во взаимодействие с исследуемой тканью: активный электрод 25 прикладывают к ткани, а пассивный электрод 26 дают в руку пациенту. При этом в колебательные контуры источника электрических сигналов 2 привносится активная и реактивная составляющие электрического сопротивления исследуемого участка ткани. Это приводит к срыву колебаний на основных частотах и возникновению в каждом из контуров колебаний с параметрами, обусловленными величиной вносимых активной и реактивной составляющих электрического сопротивления ткани, что изменяет в свою очередь параметры выходного колебательного сигнала источника 2, который после нелинейного преобразования поступает в устройство обработки 4, на выходе 6 которого устанавливается уровень напряжения, отличный от исходного. За истинный уровень напряжения принимают уровень, установившийся после загорания светодиода 5.
Установку эталонного исходного уровня выходного сигнала проводят тарировкой устройства. Для этого активный электрод 25 погружают в дистиллированную воду, что соответствует мертвой ткани, а пассивный электрод 26 заземляют.
При измерении сопротивления слизистой оболочки ткани для установки исходного эталонного уровня выходного сигнала используют физраствор как эквивалент межклеточной жидкости (лимфа, кровь).
Изобретение может быть использовано в медицине для определения, измерения и регистрации в диагностических целях. Устройство содержит измерительный датчик, подключенный ко входу источника электрических колебаний. Источник выполнен в виде генератора колебаний с возможностью одновременной генерации колебаний нескольких частот в диапазоне 104 - 106 Гц. Источник также формирует сигнал, содержащий информацию о величине электрического сопротивления ткани. Высокочастотный сигнал с выхода источника поступает на вход нелинейного преобразователя, нелинейный преобразователь сигнала преобразует его в низкочастотный. Устройство обработки зарегистрированного сигнала выделяет составляющую и усиливает. Уровень напряжения на выходе устройства фиксируют после срабатывания индикатора измерительного тока. Повышается достоверность результатов измерения за счет возможности измерения импеданса ткани. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
| CS, 257872, 1989. |
