СПОСОБ ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК A61B5/05 

Изобретение относится к медицине и может быть использовано в медицинской технике для интегральной оценки состояния человека или животного.

Известен способ диагностики физиологического состояния биологического объекта, включающий забор пробы биологической жидкости у биологического объекта, и помещение ее в ячейку для анализа, пропускание тока через ячейку с биологическим объектом от перестраиваемого по частоте и амплитуде генератора и измерение проводимости Y₁ пробы биологической жидкости, суждение по проводимости пробы биологической жидкости о физиологическом состоянии биологического объекта [1, 2].

Преимуществом способа является измерение проводимости при помощи перестраиваемого по частоте и амплитуде генератора, что повышает его информативность.

Ограничением способа является измерение проводимости потенциальным методом, т. е. путем снятия напряжений на резисторном делителе, что снижает точность измерений. При измерении проводимостей биологических жидкостей сильное влияние на точность проведенных измерений также оказывают внешние условия, такие как температура окружающей среды, влажность и тому подобное. Способ же предусматривает непосредственное измерение импедансных характеристик биологической среды без учета этих факторов. Кроме того, в способе используется ячейка с относительно большой площадью электродов. Учитывая, что измеряемая биологическая среда имеет воздушные включения, то стационарная конструкция электрода и ячейки не позволяет проводить точные измерения в большом временном интервале, т.к. с течением времени электроды покрываются оксидной пленкой, а в самой ячейке накапливаются остатки биологической среды. Способ не предусматривает экспресс-диагностику (в течение очень короткого промежутка времени) физиологического состояния биологического объекта путем сравнения данных о проводимости пробы с оптимальными данными, зависящими от воздействия окружающей среды.

Известно устройство для диагностики физиологического состояния биологического объекта, содержащее ячейку, предназначенную для размещения в ней биологической жидкости, генератор, подключенный к ячейке для анализа, и дифференциальный усилитель, детектор, измеритель, соединенные последовательно, при этом ячейка для анализа выполнена с возможностью подключения к дифференциальному усилителю [3].

Устройство также содержит терморезистор, установленный в ячейке, преобразователь тока в напряжение, блок температурной компенсации, усилитель-ограничитель, аналогово-цифровой преобразователь.

Преимуществом устройства является повышение точности измерения за счет контроля и компенсации влияния температурных факторов.

Ограничениями этого технического решения являются: возможность работы устройства только при фиксированной частоте и напряжении генератора, поскольку ячейка включена в обратную связь усилителя, что вызывает неустойчивую работу схемы при изменении амплитуды и частоты генератора; дифференциальный усилитель подключен к потенциальным электродам ячейки, что при выбранном методе функционирования устройства путем вычитания напряжений дополнительно снижает точность и увеличивает неустойчивую работу схемы; конструкция ячейки и схемы усложнена за счет введения терморезистора и преобразователя тока в напряжение, блока температурной компенсации, аналогово-цифрового преобразователя; сохраняются все ограничения, связанные с использованием стационарной ячейки и электродов, такие как изменение во времени собственной проводимости электродов и корпуса ячейки.

Решаемая изобретением задача - повышение точности и качества проведения измерений.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении способа, - расширение функциональных возможностей, повышение точности и объективности измерений с учетом влияния на результаты анализа окружающей среды и влияния погрешностей измерительных средств.

Технический результат, который может быть получен при выполнении устройства, - расширение арсенала средств для проведения измерений, повышение точности и расширения диапазона измерений, повышение удобства в эксплуатации и упрощение конструкции.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном способе диагностики физиологического состояния биологического объекта, включающем забор пробы биологической жидкости у биологического объекта, и помещение ее в ячейку для анализа, пропускание тока через ячейку для анализа с биологической жидкостью от перестраиваемого по частоте и амплитуде генератора и измерение проводимости Y₁ пробы биологической жидкости, суждение по проводимости пробы биологической жидкости о физиологическом состоянии биологического объекта, согласно изобретению забор пробы биологической жидкости у биологического объекта производят после выхода его из состояния покоя и пробуждения от сна, дополнительно используют эталон биологической жидкости, пропускают ток тех же частоты и амплитуды через эталон биологической жидкости и измеряют его проводимость Y_Э, поддерживая постоянство температур эталона и ячейки для анализа с биологической жидкостью, суждение по проводимости пробы биологической жидкости о физиологическом состоянии биологического объекта производят, определяя величину N₁ = Y₁/Y_Э, и при величине N₁ < 1 судят о нормальном состоянии биологического объекта, а при величине N₁ > 1 диагностируют нарушение физиологического состояния биологического объекта.

Возможны дополнительные варианты осуществления способа, в которых:
- в качестве эталона биологической жидкости используют пробу биологической жидкости у эталонного биологического объекта, которую помещают в эталонную ячейку, одинаковую по своим электрическим параметрам с ячейкой для анализа, и измеряют проводимость Y_Э пробы биологической жидкости в эталонной ячейке;
- в качестве эталона биологической жидкости используют резистор с проводимостью, соответствующей проводимости биологической жидкости и ячейки для анализа;
- производят забор второй пробы биологической жидкости у биологического объекта в период бодрствования перед первым приемом питания биологическим объектом и помещают ее в дополнительную ячейку для анализа, одинаковую по своим электрическим параметрам с упомянутой ячейкой для анализа, измеряют проводимость Y₃ второй пробы, определяют отношение проводимости биологической жидкости в дополнительной ячейке для анализа и эталона биологической жидкости N₂ = Y₃/Y_Э, и при соблюдении условия N₁/N₂ > 1 судят о состоянии иммунной системы - при величине N₂ < 1 активность иммунной системы возрастает, а при приближении к 1 активность иммунной системы падает;
- в качестве биологической жидкости используют слюну;
- в качестве биологической жидкости используют мочу;
- в качестве биологической жидкости используют кровь.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном устройстве для диагностики физиологического состояния биологического объекта, содержащем ячейку для анализа, предназначенную для размещения в ней биологической жидкости, генератор, подключенный к ячейке для анализа, и дифференциальный усилитель, детектор, измеритель, соединенные последовательно, при этом ячейка для анализа выполнена с возможностью подключения к дифференциальному усилителю, согласно изобретению дифференциальный усилитель выполнен с первым и вторым суммирующим входом по току, генератор подключен к первому суммирующему входу дифференциального усилителя, введены усилитель, выполненный с первым и вторым суммирующим входом, регулятор уровня напряжения, эталонная ячейка, предназначенная для размещения в ней эталонной биологической жидкости, электрод, подключенный ко второму суммирующему входу дифференциального усилителя и выполненный с возможностью его пространственного перемещения для контакта с биологической жидкостью в ячейке для анализа и в эталонной ячейке, при этом детектор подсоединен к измерителю через первый суммирующий вход усилителя, а регулятор уровня напряжения подсоединен к нему через второй суммирующий вход усилителя.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых:
- введен эквивалент электрода, выполненный в виде резистора с проводимостью, равной проводимости электрода, и подсоединенный ко второму суммирующему входу дифференциального усилителя через ключ;
- генератор выполнен перестраиваемым по частоте и амплитуде выходного сигнала;
- электрод выполнен в виде коаксиального щупа с конусом на вершине. За счет введения эталонной ячейки, сравнения характеристик биологической жидкости с эталонной биологической жидкостью, а также за счет выполнения устройства в соответствии с вышеописанными признаками удалось решить поставленную задачу.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшим вариантом его осуществления и выполнения со ссылками на прилагаемые рисунки. Так как способ реализуется в процессе работы устройства, то описание способа, как объекта изобретения, приведено в разделе описания работы устройства.

Фиг. 1 изображает функциональную схему устройства;
фиг. 2 - конструкцию электрода в виде щупа.

Устройство для диагностики физиологического состояния биологического объекта (фиг. 1) имеет ячейку 1 для анализа, предназначенную для размещения в ней исследуемой биологической жидкости. Генератор 2 подключен к ячейке 1. Дифференциальный усилитель 3, детектор 4, измеритель 5 соединены последовательно. Ячейка 1 выполнена с возможностью подключения к дифференциальному усилителю 3.

Дифференциальный усилитель 3 выполнен с первым и вторым суммирующим входом по току, соответственно 6 и 7. Генератор 2 подключен к первому суммирующему входу 6 дифференциального усилителя 3. Усилитель 8 выполнен с первым и вторым суммирующим входом, соответственно 9 и 10. Устройство имеет регулятор 11 уровня напряжения и эталон 12 биологической жидкости. Электрод 13 подключен ко второму суммирующему входу 7 дифференциального усилителя 3 и выполнен с возможностью его пространственного перемещения для контакта с биологической жидкостью в ячейке 1 для анализа и с эталоном 12. Детектор 4 подсоединен к измерителю 5 через первый суммирующий вход усилителя 8. Регулятор 11 подсоединен к измерителю 5 через второй суммирующий вход усилителя 8.

В качестве эталона 12 может быть использована проба биологической жидкости у эталонного биологического объекта (ранее продиагностированного здорового человека или животного), которую помещают в эталонную ячейку, одинаковую по своим электрическим параметрам с ячейкой 1 для анализа, и измеряют проводимость Y_Э пробы биологической жидкости в эталонной ячейке. Или в качестве эталона 12 используют резистор, с проводимостью соответствующей проводимости биологической жидкости и ячейки 1 для анализа. Может также в качестве эталона 12 использоваться набор резисторов для исследования различных биологических жидкостей, например слюны, крови, мочи.

В устройство может быть введен эквивалент электрода 13, выполненный в виде резистора 14 с проводимостью, равной проводимости электрода 13, и подсоединенный ко второму суммирующему входу 7 дифференциального усилителя 3 через ключ 15, что позволяет учитывать погрешности, вносимые в измерения непосредственно электродом 13.

Генератор 2 может быть выполнен перестраиваемым по частоте и амплитуде выходного сигнала, для этого в его состав входит регулятор частоты 16 и аттенюатор 17 регулирования уровня амплитуды, что позволяет с целью дополнительного повышения обеспечить точность измерений за счет их проведения в резонансном режиме.

Для дополнительного повышения точности измерений электрод 13 (фиг. 2) может быть выполнен в виде коаксиального щупа с конусом на его вершине, что позволяет производить измерения в точке, мгновенно очищать его от биологических жидкостей и исключить влияние пузырьков воздуха в приэлектродном коническом слое в процессе введения щупа в биологическую жидкость. Такой щуп может быть подсоединен ко второму входу 7 дифференциального усилителя 3 коаксиальным кабелем.

Выполнение дифференциального усилителя 3 с первым и вторым суммирующими входами 6 и 7 по току, а также введение усилителя 8 с первым и вторым суммирующим входом 9 и 10 по току позволяет исключить погрешности, связанные с измерениями потенциалов и постоянно контролировать параметры электрода 13, а перед измерением скомпенсировать или устранить погрешности измерения. Соединение второго суммирующего входа усилителя 8 с регулятором позволяет устранить влияние постоянной составляющей сигнала, выделить и усилить только полезный сигнал, тем самым значительно расширить диапазон измерений.

Работает устройство (фиг. 1) следующим образом.

В начале осуществляют забор пробы биологической жидкости у биологического объекта (человека, животного) и помещают ее в ячейку 1 для анализа. Пропускают ток через ячейку 1 от перестраиваемого по частоте и амплитуде посредством регулятора частоты 16 и аттенюатора 17 генератора 2. Измеряют проводимость Y₁ измерителем 5. Забор пробы биологической жидкости у биологического объекта (человека, животного) производят сразу после его выхода из состояния покоя после его пробуждения от сна, в период, как показали исследования, когда проводимость Y₁ максимально приближена к проводимости Y_Э эталона 12 или несколько меньше нее. Через эталон 12 пропускают ток тех же частоты и амплитуды и измеряют его проводимость Y_Э. Сравнивают проводимости Y₁ биологической жидкости в ячейке 1 и эталона 12 путем определения их отношения N₁ = Y₁/Y_Э. При величине N₁ < 1 судят о нормальном состоянии биологического объекта, а при величине N₁ > 1 диагностируют возможное заболевание и нарушение физиологического состояния биологического объекта. Дальнейшее диагностирование заболевания производят традиционными методами. Величина электрической проводимости первого замера, как показали исследования, пропорциональна максимальному накоплению чужеродных ингредиентов в биологической жидкости.

Для дальнейшей экспресс-диагностики производят забор второй пробы биологической жидкости у биологического объекта перед первым приемом пищи (обычно через 0,5 - 1 час после пробуждения). Помещают биологическую жидкость в дополнительную ячейку 18 для анализа (фиг. 1), одинаковую по своим электрическим параметрам с упомянутой ячейкой 1. Измеряют проводимость Y₂ второй пробы. Сравнивают проводимости Y₂ биологической жидкости в дополнительной ячейке для анализа с проводимостью Y_Э эталона 12 путем определения отношения N₂ = Y₂/Y_Э. При соблюдении условия 1 < N₁/N₂ судят о состоянии иммунной системы - при величине N₂ < 1 активность иммунной системы возрастает (диагностируют нормальное состояние иммунной системы биологического объекта), а при величине N₂, приближающейся к 1 слева или справа (0,95 < N₂ < 2,1), активность иммунной системы падает (диагностируют возможное заболевание иммунной системы). Дальнейшее диагностирование производят традиционными методами. Величина электрической проводимости второго замера пропорциональна сопротивляемости биологического объекта внешним факторам, а отношение данных первого замера ко второму при прошествии указанного временного промежутка характеризует реакцию биологического объекта на воздействие внешних факторов.

Поскольку измерения проводятся одним и тем же щупом в одинаковых условиях окружающей среды (температуры, влажности, давлении и т.д.) для измеряемых объектов и эквивалента и определяется отношение измеряемых параметров, то случайные погрешности практически не влияют на исследования, а систематические погрешности компенсируются предложенным схемным решением.

В качестве биологической жидкости для экспресс диагностики наиболее целесообразно использовать слюну, как биологическую жидкость наиболее информативную, простым образом забираемую у биологического объекта и наиболее легко подвергающуюся исследованию предложенным способом. Удельное сопротивление слюны человека (без учета сопротивления корпуса ячейки 1) для эквивалента 12 составляет 3,238 Ом•м.

Однако способ не исключает использование в качестве биологической жидкости мочи (удельное сопротивление 2,08 Ом•м), а также крови (удельное сопротивление 1,62 Ом•м).

При осуществлении способа для повышения точности в устройство целесообразно введение эквивалента электрода 13, выполненного в виде резистора 14 с проводимостью, равной проводимости электрода 13. В этом случае электрод 13 протирают насухо и первоначально оставляют на воздухе, не вводя его в ячейку 1. Регулятор 11 устанавливают в нейтральном положении. При замыкании ключа 15 происходит соединение эквивалента электрода 13 - резистора 14 со вторым суммирующим входом 7 дифференциального усилителя 3. После суммирования результирующий базовый сигнал от генератора 2 через первый суммирующий вход дифференциального усилителя 3, детектор 4, усилитель 8 поступает на измеритель 5. С помощью регулятора 11 на измерителе 5 устанавливают величину проводимости Y_уст1. Размыкают ключ 15 и помещают электрод 13 на эталон 12. Если на измерителе 5 получают значение проводимости Y_уст2, отличное от Y_уст1, то по разнице этих значений судят о погрешности измерения дополнительно вносимой электродом. Таким образом, в процессе измерений проводимостей биологических жидкостей всегда можно учесть изменения во времени погрешности, вносимой электродом 13, например, за счет окисления его контактной поверхности.

При измерении проводимости биологической жидкости вводят в контакт щуп - электрод 13 с эталоном 12. Регулятором частоты 16 и аттенюатором 17 подбирают необходимую величину выходного сигнала по частоте и амплитуде для устойчивого измерения проводимости Y_Э, тем самым устанавливая точку отсчета. Затем вводят острый конический конец щупа электрода 13 в поверхностный контакт с биологической жидкостью в ячейке 1 для анализа. На измерителе 5 регистрируют величину, пропорциональную проводимости Y₁ биологической среды. Далее, как описано выше, определяют их отношение.

При измерении биологических жидкостей, характеризующихся малым уровнем информационного сигнала и большим уровнем общего сигнала, в процессе настройки на эталоне 12 аттенюатор 17 устанавливают в положение, соответствующее максимальному уровню выходного сигнала генератора 2, а регулятором 11 уровня напряжения устанавливают на измерителе 5 новую точку отсчета для измерения показаний проводимости другой биологической жидкости.

Пример 1. Проводились исследования крови, мочи и слюны у больных с тяжелыми формами органов дыхания в период осложнения. Показатели: N₁ = 1,5-2,1; N₂ = 1,6-2,2.

Пример 2. Обследована группа спортсменов 27 человек. 6 человек из группы в дальнейшем переболели гриппом. Анализы, проведенные в соответствии с заявленным способом, показали, что для этих 6 человек величина N₂ перед заболеванием была в интервале от 1,0 до 1,4, т.е. активность иммунной системы оказалась пониженной и, в дальнейшем они подверглись инфекционному заболеванию. Для остальной группы величина N₂ составляла от 0,6 до 0,8 и наблюдаемые не заболели в процессе всего инфекционного периода.

Пример 3. Проводились исследования влияния внешних факторов, таких как повышенный фон солнечной радиации, физические перегрузки, переедание, пищевые отравления, неполноценный сон, стресс и др. на физиологическое состояние человека. Для большинства перечисленных отрицательных факторов величины N₁ и N₂ составляют от 1,1 до 1,6, а пищевое отравление нитратной пищей характеризуется величинами от 1,8 до 2,1.

Пример 4. Проводились исследования различных заболеваний мочеполовой системы. Величина N₂ после операции характеризуется 1,8-2,0; через неделю после операции - 1,2-1,4.

Пример 5. Проведены наблюдения за группой из 3 человек в течение 10 месяцев с показателями N₁ и N₂ несколько большими 1. Исследования показали, что при длительном сохранении этих показателей, особенно величины N₂, на уровне 1,1-1,3 свыше 30 дней начинают проявляться различные заболевания опорно-двигательной системы и системы кровообращения.

Наиболее успешно заявленные способ экспресс-диагностики и устройство для его осуществления могут быть использованы в медицине для интегральной оценки физиологического состояния человека или животного.

Источники информации
1. Патент США N 3949736, A 61 B 5/05, 13.04.76.

2. Патент США N 4038975, A 61 B 5/05, 02.08.77.

3. Авторское свидетельство СССР N 1387980, A 61 B 5/05, 15.04.88.

Изобретение относится к медицине и может быть использовано в медицинской технике для интегральной оценки состояния человека и животного. Способ включает забор пробы биологической жидкости и помещение ее в ячейку для анализа, пропускание тока через ячейку от перестраиваемого по частоте и амплитуде генератора и измерение проводимости Y₁. Забор пробы биологической жидкости производят после пробуждения биологического объекта от сна. Дополнительно используют эталон биологической жидкости, пропускают ток тех же частоты и амплитуды через эталон и измеряют его проводимость Y_э. Определяют проводимости биологической жидкости в ячейке для анализа и эталона N₁=Y₁-Y_э и при величине N₁<1 судят о нормальном состоянии биологического объекта, а при величине N₁>1 диагностируют нарушение состояния. Устройство содержит ячейку для анализа, генератор, подключенный к ней. Дифференциальный усилитель, детектор и измеритель соединены последовательно. Дифференциальный усилитель выполнен с первым и вторым суммирующими входами по току. Генератор подключен к первому суммирующему входу дифференциального усилителя. Введенный усилитель выполнен с первым и вторым суммирующими входами. Электрод подключен к второму суммирующему входу дифференциального усилителя и выполнен с возможностью его пространственного перемещения для контакта с биологической жидкостью в ячейке для анализа и с эталоном биологической жидкости. Детектор подсоединен к измерителю через первый суммирующий вход введенного усилителя, а регулятор уровня напряжения подсоединен к нему через второй суммирующий вход усилителя. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ диагностики физиологического состояния биологического объекта, включающий забор пробы биологической жидкости у биологического объекта и помещение ее в ячейку для анализа, пропускание тока через ячейку для анализа с биологической жидкостью от перестраиваемого по частоте и амплитуде генератора и измерение проводимости Y₁ пробы биологической жидкости, по которой судят о физиологическом состоянии биологического объекта, отличающийся тем, что забор пробы биологической жидкости у биологического объекта производят после выхода его из состояния покоя и пробуждения от сна, дополнительно используют эталон биологической жидкости, пропускают ток тех же частоты и амплитуды через эталон биологической жидкости и измеряют его проводимость Y_э, поддерживая постоянство температур эталона и ячейки для анализа с биологической жидкостью, сравнивают проводимости Y₁ и Y₂ путем определения их соотношения N₁=Y₁Y_э и при величине N₁ < 1 судят о нормальном состоянии биологического объекта, а при величине N₁ > 1 диагностируют нарушение физиологического состояния биологического объекта. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве эталона биологической жидкости используют пробу биологической жидкости у эталонного биологического объекта, которую помещают в эталонную ячейку, одинаковую по своим электрическим параметрам с ячейкой для анализа, и измеряют проводимость Y_э пробы биологической жидкости в эталонной ячейке. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве эталона биологической жидкости используют резистор с проводимостью, соответствующей проводимости биологической жидкости и ячейки для анализа. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводят забор второй пробы биологической жидкости у биологического объекта в период бодрствования перед первым приемом питания биологическим объектом и помещают ее в дополнительную ячейку для анализа, одинаковую по своим электрическим параметрам с упомянутой ячейкой для анализа, изменяют проводимость Y₂ второй пробы, определяют отношение проводимости биологической жидкости в дополнительной ячейке для анализа с эталоном N₂=Y₂/Y_э и при соблюдении условий N₁/N₂ > 1 судят о состоянии иммунной системы, при N₂ < 1 активность иммунной системы возрастает, а при приближении к 1 падает. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве биологической жидкости используют слюну. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве биологической жидкости используют мочу. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве биологической жидкости используют кровь. 8. Устройство для диагностики физиологического состояния биологического объекта, содержащее ячейку для анализа, предназначенную для размещения в ней биологической жидкости, генератор, подключенный к ячейке для анализа, и дифференциальный усилитель, детектор, соединенные последовательно, при этом ячейка для анализа выполнена с возможностью подключения к дифференциальному усилителю, отличающееся тем, что дифференциальный усилитель выполнен с первым и вторым суммирующими входами по току, генератор подключен к первому суммирующему входу дифференциального усилителя, введены усилитель, выполненный с первым и вторым суммирующими входами, регулятор уровня напряжения, эталон биологической жидкости, электрод, подключенный к второму суммирующему входу дифференциального усилителя и выполненный с возможностью его пространственного перемещения для контакта с биологической жидкостью в ячейке для анализа и с эталоном биологической жидкости, при этом детектор подсоединен к измерителю через первый суммирующий вход усилителя, а регулятор уровня напряжения подсоединен к нему через второй суммирующий вход усилителя. 9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что введен эквивалент электрода, выполненный в виде резистора с проводимостью, равной проводимости электрода, и подсоединенный к второму суммирующему входу дифференциального усилителя через ключ. 10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что генератор выполнен перестраиваемым по частоте и амплитуде выходного сигнала. 11. Устройство по п.8, отличающееся тем, что электрод выполнен в виде коаксиального щупа с конусом на вершине.