СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРИПОЛОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК A61B5/05 

Изобретение относится к медицинской технике, используемой при измерении физиологических параметров, таких как давление, температура, кислотность и другие внутри скрытых полостей организма человека, и может найти применение в акушерстве и гинекологии, а также при исследовании желудочно-кишечного тракта.

Известен способ измерения и регистрации внутриполостного давления /1/, заключающийся во введении в исследуемую полость тензодатчика, подключении его к внешней измерительной аппаратуре посредством проводников, причем введение в полость датчика калибровочного сигнала давления позволяет тарировать систему после введения в исследуемую полость пациента. Способ обладает существенным недостатком, поскольку его использование предполагает жесткую связь пациента и измерительного комплекса, что снижает область применения способа.

Известен способ измерения внутриматочного давления, рН или температуры /2/, заключающийся во введении в исследуемую область капсулы, оснащенной микродатчиками, генератором электромагнитных колебаний высокой частоты и миниатюрным источником питания, при этом сигнал, пропорциональный величине измеряемых параметров, передается по радиоэфиру в виде частотных посылок и воспринимается приемником с последующей его расшифровкой. Способ позволяет значительно расширить область применения, но сокращает время эксперимента, поскольку миниатюрный источник питания не обладает большой аккумулируемой емкостью.

Наиболее близок к заявляемому способ измерения внутриполостных параметров /3/, заключающийся в том, что от внешней антенны, закрепленной на поясе пациента, подают высокочастотный сигнал, энергия которого запасается в конденсаторе, введенном в состав капсулы, внутренний генератор капсулы формирует полезный сигнал в виде частоты, пропорциональной давлению или другому измеряемому параметру, а внешняя антенна в промежутках между подачей сигнала питания воспринимает измеряемый сигнал и передает его в блок обработки. Предложенный авторами способ исключает необходимость применения недолговечных внутренних источников питания, что является преимуществом по сравнению с известными, но обладает некоторыми недостатками. Так, высокочастотные излучения внешней антенны в процессе зарядки внутреннего конденсатора, размещенного в капсуле, могут неблагоприятно сказаться на здоровье обследуемого. Кроме того, неизбежное снижение напряжения на конденсаторе на этапе передачи информации от капсулы к антенне значительно снижает точность измерений.

Известно устройство для исследования температуры, прозрачности, электрического сопротивления, давления, вязкости среды внутри полости /4/, содержащее корпус и вакуумную трубку, соединенную последовательно с электроклапаном, ресивером и цифровым манометром, вентилем и вакуумным насосом, причем корпус выполнен в виде прозрачной капиллярной трубки, в которой соосно расположены два электрода, в одном из электродов предусмотрены дренажные отверстия для установки датчиков. Устройство выполняет свои основные функции, но требует непосредственного контакта внешней измерительной аппаратуры и датчиков, что ограничивает область применения теми случаями, когда измерения производятся кратковременно и имеется возможность подключения вакуумного насоса к введенному в полость организма корпусу.

Известно устройство для радиотелеметрического измерения внутриполостных параметров /2/, содержащее миниатюрную радиокапсулу и регистрирующее устройство, воспринимающее сигнал от расположенной внутри полости капсулы, в которой размещены радиопередающий прибор, датчик или датчики измеряемых параметров, источник питания. Устройство успешно применяется для измерения уровня кислотности, давления и других параметров, но имеет ограниченный срок работы, поскольку внутренний источник энергоснабжения капсулы со временем разряжается.

Наиболее близким техническим решением является устройство /3/, содержащее датчик и резонансный контур, возбуждаемый импульсным генератором, находящимся вне тела пациента. Генератор работает на частоте 400 КГц. В промежутках между сериями колебаний этой частоты принимаются радиоприемником и графически регистрируются затухающие колебания резонансного контура, частота которых зависит от измеряемого параметра, поскольку датчик измеряемой величины включен в схему генератора. Энергия внешнего генератора запасается в конденсаторе значительной емкости, входящем в схему капсулы, что позволяет неограниченно долго производить требуемые измерения. Антенна принимающей части и внешний генератор располагаются на теле человека. Это расширяет функциональные возможности устройства, позволяя проводить исследования практически в любой ситуации. Предложенный авторами вариант выполнения устройства при своей работоспособности обладает некоторыми недостатками. Так передача и прием данных измерения происходит в промежутках между подачей сигнала для зарядки конденсатора, что требует постоянного функционирования антенны, излучающей достаточно большую мощность. Это сопровождается значительными внешними электромагнитными воздействиями на организм человека и может привести к нежелательным последствиям. Кроме того, устройство не позволяет производить калибровку датчика в процессе его работы внутри организма пациента. И, наконец, в устройстве не предусмотрена предварительная обработка информации самой капсулой, что требует использования специальных устройств преобразования сигналов, но уже после их передачи от капсулы, когда тракт радиоприема уже внес свои погрешности в результаты измерения.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении энергетических показателей, снижении излучающей мощности антенны и в увеличении точности измерений.

Такой результат достигается за счет того, что способ измерения внутриполостных параметров, включающий подачу от внешней антенны, закрепленной на поясе пациента, высокочастотного сигнала, аккумулировании его энергии на конденсаторе капсулы, предварительно введенной в исследуемую полость, формировании внутри капсулы сигнала о величине измеряемого параметра, передаче и приеме этого сигнала внешней антенной, дополняют тем, что на протяжении всего времени работы измеряют напряжение на конденсаторе капсулы и, если оно выше порогового, подкачки энергии от внешней антенны не производят. Если же сбор и передача измеряемых параметров некоторое время не требуется, то переводят все электронные элементы капсулы в режим малого энергопотребления, при этом измеряемые данные до передачи предварительно математически обрабатывают внутри капсулы, а при необходимости от внешней антенны подают сигналы тарировки, настраивающие канал измерения данных.

Устройство, реализующее данный способ, содержащее конденсатор, шину питания, датчик, внутренний усилитель, внутреннюю антенну, микроЭВМ, последовательно соединенную с усилителем мощности, внешней антенной, приемным усилителем и фильтром, дополнительно имеет пороговый элемент, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и формирователь, при этом первый двунаправленный вход-выход микроконтроллера подключен к внутренней антенне, конденсатор соединен со вторым двунаправленным входом-выходом микроконтроллера, внутренний усилитель через аналого-цифровой преобразователь подключен к информационному входу микроконтроллера, шина питания через пороговый элемент соединена с входом прерывания микроконтроллера, а выход микроконтроллера подключен к шине питания.

На фиг. 1 изображена блок-схема прибора, реализующего предлагаемый способ, на фиг.2 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип, заложенный в основу работы способа и устройства. Для фиг.1 введены следующие обозначения: 1 - конденсатор, предназначенный для аккумулирования энергии и питания капсулы электрической энергией во время измерений, 2 - шина питания, представляющая собой двупроводную линию, 3 - пороговый элемент, определяющий уровень напряжения на шине питания 2 и подключающийся к входу прерывания микроконтроллера 4. Внутренняя антенна 5 позволяет передавать энергию через первый двунаправленный вход-выход микроконтроллера 4 к шине питания 2 и от микроконтроллера 4 к внутренней антенне 5. Датчик 6 измеряемого параметра через внутренний усилитель 7 и аналого-цифровой преобразователь 8 подключается к информационному входу микроконтроллера 4. Питание порогового элемента 3, датчика 6, внутреннего усилителя 7 и аналого-цифрового преобразователя 8 производится по шине питания 2 от конденсатора 1, который через второй двунаправленный вход-вход микроконтроллера 4 и его выход подключается к шине питания 2, причем направление передачи энергии питания для конденсатора 1 и микроконтроллера 4 в процессе работы может изменяться. Элементы с 1 по 8 конструктивно образуют законченный узел, обозначенный на фиг.1 как капсула 9. Внешний блок 10, размещаемый на теле пациента, состоит из микроЭВМ 11, через усилитель мощности 12 подключенную к внешней антенне 13, размещаемой на поясе. Информация с внешней антенны 13 может передаваться к капсуле 9 или сниматься с нее через приемный усилитель 14, фильтр 15, формирователь 16 и поступать на микроЭВМ 11. Для снятия информации с микроЭВМ по окончании эксперимента служит персональный компьютер 17, связь которого с внешним блоком 10 осуществляется с использованием одного из известных интерфейсов.

Способ осуществляется следующим образом. Предварительно оперированный датчик 6 измеряемого параметра (давления, температуры, рН или другой) помещают внутрь капсулы 9, в которую монтируют предварительно заряженный конденсатор 1 (накопитель энергии), пороговое устройство 3, внутренний усилитель 7, аналого-цифровой преобразователь 8 и микроконтроллер 4 с занесенной в него программой работы. Микроконтроллер 4 соединяют с внутренней антенной 5, представляющей собой миниатюрную катушку индуктивности. Установку капсулы в исследуемую полость производят специальными инструментами или же она заглатывается обследуемым пациентом. После установки капсулы 9 в рабочее положение начинается процесс подачи ей энергии. Для этого микроЭВМ 11 внешнего блока 10 формирует стартовый бит (см. фиг.2) и через усилитель мощности 12 передает его к внешней антенне 13. Капсула 9 посредством внутренней антенны 5 воспринимает стартовый бит и, поскольку в промежутке до первого стробирующего импульса информационные биты отсутствуют, микроконтроллер 4 переходит в режим пониженного энергопотребления, начинается процесс зарядки конденсатора 1 по цепи "внутренняя антенна 5 - второй двунаправленный вход-выход микроконтроллера 4 - первый двунаправленный вход-выход микроконтроллера 4 - конденсатор 1". С приходом первого стробирующего импульса от внешнего блока 10 пороговое устройство производит анализ напряжения на шине питания 2 и, если оно ниже заданного, процесс зарядки конденсатора 1 продолжается. Если же к моменту прихода первого стробирующего импульса конденсатор 1 зарядился достаточно, начинается процесс сбора и обработки информации от датчика 6. При этом микроконтроллер 4 передает на внутреннюю антенну 5 сигнал о необходимости прекратить подкачку энергии в капсулу 9, внешняя антенна 13, восприняв этот сигнал, передает его через приемный усилитель 14, фильтр 15 и формирователь в микроЭВМ 11, подкачка энергии в конденсатор 1 прекращается. Тем самым значительно снижается уровень электромагнитного влияния на организм пациента. Одновременно аналоговый сигнал датчика 6, пропорциональный измеряемому параметру, через усилитель 7 и аналого-цифровой преобразователь 8 поступает на информационный вход микроконтроллера 4. Тот начинает собирать и математически обрабатывать полученную информацию. Математическая обработка заключается в определении средних значений, дисперсии, автокорреляционной функции и других величин, характеризующих показания датчика 6, при этом канал передачи информации от капсулы 9 к внешнему блоку 10 значительно разгружается и исключается влияние внешних помех канала передачи на точность способа. По мере готовности информации в капсуле 9 после очередного стробирующего бита микроконтроллер 4 передает накопленную и математически обработанную информацию внутренней антенне 5. Это воспринимается внешней антенной 13 и по каналу последовательно соединенных блоков 14, 15, 16 передается на вход микроЭВМ 11. При необходимости проведения проверки работоспособности и тарировки капсулы 9 от микроЭВМ 11 на внешнюю антенну передают сигналы, изменяющие величины пороговых напряжений порогового элемента 3. Микроконтроллер 4 устанавливает заданные значения, и съем информации с датчика 6 будет происходить при постепенно изменяющихся напряжениях питания, что позволяет построить зависимость текущего значения измеряемого параметра от напряжения питания, а значит и оценить работоспособность прибора. Передача информации от микроконтроллера 4 к микроЭВМ 11 в этом режиме осуществляется аналогично рассмотренным выше.

Устройство для измерения внутриполостных параметров работает следующим образом. Прибор, предназначенный для реализации предлагаемого способа, имеет несколько режимов работы. Основные из них:
- передача энергии конденсатору;
- сбор и обработка данных микроконтроллером;
- проверка напряжения на конденсаторе и перевод устройства в "спящий" режим с минимальным энергопотреблением;
- передача результатов измерения в микроЭВМ;
- тарировка датчика.

Передача энергии конденсатору происходит путем формирования микроЭВМ 11 пакета высокочастотных импульсов, усиления их усилителем мощности 12 и подачей усиленных сигналов во внешнюю антенну 13. Поданные сигналы с внешней антенны, расположенной на теле пациента, за счет взаимного электромагнитного взаимодействия внешней 13 и внутренней 5 антенн поступают в капсулу 9, где воспринимаются микроконтроллером 4, получающем информацию по второму двунаправленному входу-выходу, который в данном режиме играет роль входа. Микроконтроллер 4, получив эту информацию, переходит в режим малого энергопотребления и переключает второй двунаправленный вход-выход к первому двунаправленному входу-выходу, через который начинается заряд конденсатора 1. Тот, в свою очередь, будучи соединенным через выход микроконтроллера 4 с шиной питания 2, поддерживает напряжение датчика 6, внутреннего усилителя 7 и аналого-цифрового преобразователя 8.

В промежутках между пачками высокочастотных импульсов возможен один из перечисленных выше режимов. Например, при сборе и обработке информации датчик 6 подает во внутренний усилитель 8 напряжение, пропорциональное выбранному параметру, аналого-цифровой преобразователь 8 формирует на своем выходе цифровой код, соответствующий поступившему напряжению, а микроконтроллер 4 производит обработку полученных данных. Под обработкой понимается определение средних значений, дисперсий или моментов более высокого порядка, что позволяет передавать приемнику 10 уже обработанную информацию. Это значительно разгружает тракт передачи информации, поскольку можно ограничиться данными за несколько измерений. При этом на точность массива данных, занесенных в память микроконтроллера 4, уже не влияют помехи, свойственные любой системе передачи аналоговой информации, поскольку оцифровка данных происходит до передачи сведений в эфир. Кроме того, увеличивается период обращения к режиму передачи, что снижает общее энергопотребление, поскольку режим передачи требует максимальной мощности от элементов капсулы 9.

Все режимы работы прибора требуют напряжения питания, стабильного в определенных пределах, при этом одним из основных потребителей энергии, а значит и причиной быстрой разрядки конденсатора 1 является микроконтроллер 4. Так изменение напряжения питания на внутреннем усилителе 7 или аналого-цифровом преобразователе 8 значительно снижает точность измерений. В известных технических решениях подзарядка конденсатора производилась непрерывно, что требовало постоянной работы внешней антенны 13 с неизбежным отрицательным влиянием высокочастотного электромагнитного поля на организм пациента. Для предотвращения данного факта предусмотрен режим, в который переходит система после проверки величины напряжения на конденсаторе 1. Эта проверка осуществляется пороговым элементом 3, который сравнивает действительное значение напряжения на конденсаторе 1 с заданным граничным минимальным значением, переход через которое приводит к увеличению ошибки измерения, превышающей допустимую погрешность. Если в результате проверки происходит срабатывание порогового элемента 3, на вход прерывания микроконтроллера 4 поступает сигнал, в результате чего микроконтроллер 4 переходит в режим пониженного энергопотребления, при этом питание датчика 6, усилителя 7 и аналого-цифрового преобразователя 8 от микроконтроллера 4 по шине питания 2 прекращается, а конденсатор 1 начинает интенсивно заряжаться. Введение данного режима позволяет значительно понизить энергопотребление прибора, а значит и снизить мощность, передаваемую от внешней антенны 13. Если учесть, что большая часть этой энергии рассеивается на теле пациента, снижение мощности внешней антенны очень актуально. Если же при проверке напряжения питания на шине 2 пороговым элементом 3 обнаружено превышение напряжения над заданной величиной, микроконтроллер 4 прекращает передачу энергии от внутренней антенны 5 к конденсатору 1, переводя первый двунаправленный вход-выход в режим приема энергии от конденсатора 1 через выход микроконтроллера 4 к шине питания 2. Конденсатор 2 начинает разряжаться. При этом микроконтроллер 4, перейдя по второму двунаправленному входу-выходу в состояние передачи информации от капсулы к внешнему блоку 10, настраивает внешнюю антенну 13 на прием. В этом режиме сигналы от микроконтроллера 4 в виде импульсных посылок с временным кодированием информации поступают к приемному усилителю 14, фильтру 15 и формирователю 16. Обработанные сигналы следуют в микроЭВМ 11, где накапливаются во внутреннем или внешнем ОЗУ, а после всего сеанса обследования в сгруппированном виде передаются персональному компьютеру 17, где окончательно обрабатываются и документируются. В режиме тарировки датчика микроЭВМ 11 формирует сигнал управления, усиленный усилителем мощности 12 и через внешнюю антенну 13 передаваемый внутренней антенне 5. Микроконтроллер 4, получив сигнал на тарировку, переводит внутреннюю программу на выполнение действий по изменению пороговых напряжений порогового элемента 6, в результате чего определяется характеристика датчика 6, усилителя 7 и аналого-цифрового преобразователя 8 в зависимости от напряжения питания. Полученные данные обрабатываются микроконтроллером 4 и передаются внешней микроЭВМ 11, по результатам этого эксперимента делается вывод о работоспособности капсулы 9.

Пример 1. Способ измерения внутриполостных параметров позволил провести обследование пациентки А на предмет определения поверхностного давления стенок шейки матки в течение продолжительного периода, что явилось исходным материалом для оценки протекания беременности.

Пример 2. Капсула для измерения внутриполостных параметров применялась для изучения состояния желудочно-кишечного тракта пациента В при подозрении на язву двенадцатиперстной кишки. Результаты диагностических исследований кислотности позволили определить нарушения без использования инвазивных методов.

Пример 3. Применение способа измерения внутриполостных параметров и устройство для его осуществления при обследовании пациентки С на предмет диагностики различных форм нарушений сократительной деятельности матки позволило безболезненно выявить степень поражения и правильно выбрать тактику медикаментозного лечения.

Предлагаемые способ и устройство позволяют повысить энергетические показатели, снизить излучающую мощность внешней антенны, а значит ограничить внешнее электромагнитное воздействие на обследуемого пациента, и увеличить точность измерений.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 148201. УСТРОЙСТВО Для ИЗМЕРЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ВНУТРИПОЛОСТНОГО ДАВЛЕНИЯ. Гук Г.Н., Бутейко К.П., Павленко Ю.С., Рябцев Г.Л. "Бюллетень изобретений" 1962, 12.

2. Караш Ю.М. ДИАГНОСТИКА СОКРАТИТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ МАТКИ ПРИ РОДАХ. - М.: Медицина, 1982, стр.26-28.

3. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕЛЕМЕТРИЯ. Бабский Е.Б., Баевский P.M., Геллер Е.С. и др. / Под ред. В.В.Ларина. - М.: Медицина, 1971, стр.229-232.

4. Патент Российской Федерации 2071272. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СЛИЗИ В КАНАЛЕ ШЕЙКИ МАТКИ. Беркенгейм М.Л., Носов Д.А. Информационный бюллетень "Открытия, изобретения, промышленные образцы и товарные знаки", 1997, 1.

Изобретение относится к медицинской технике и может найти применение в акушерстве и гинекологии, а также при исследовании желудочно-кишечного тракта. Способ заключается в подаче от внешней антенны высокочастотного сигнала, аккумулировании его энергии на конденсаторе капсулы, формировании внутри капсулы сигнала о величине измеряемого параметра, передаче и приеме этого сигнала внешней антенной. На протяжении всего времени работы измеряют напряжение на конденсаторе капсулы и, если оно выше порогового, передачу энергии внешней антенны не производят, а вне режима передачи и приема сигналов переводят все электронные элементы капсулы в режим малого энергопотребления, при этом измеряемые данные до передачи предварительно математически обрабатывают внутри капсулы. При необходимости от внешней антенны подают сигналы тарировки, настраивающие канал измерения данных. Устройство, реализующее данный способ, содержит конденсатор, датчик, внутренний усилитель, внутреннюю антенну, микроЭВМ, последовательно соединенную с усилителем мощности, внешней антенной, приемным усилителем и фильтром. Оно дополнительно имеет пороговый элемент, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и формирователь. Изобретение позволяет повысить энергетические показатели, снизить излучающую мощность антенны и увеличить точность измерений. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения внутриполостных параметров, заключающийся в подаче от внешней антенны, закрепленной на поясе пациента, высокочастотного сигнала, передаче его энергии на конденсатор капсулы, содержащей также датчик и электронные элементы, с помощью которых осуществляют измерение исследуемого параметра, сборе и передаче измеренных параметров и их приеме внешней антенной, отличающийся тем, что на протяжении всего времени измерения осуществляют проверку величины напряжения на конденсаторе капсулы и при превышении им значения порогового напряжения передачу энергии внешней антенны не производят, а вне режима передачи и приема сигнала переводят все электронные элементы капсулы в режим малого энергопотребления, при этом измеренные параметры до их передачи математически обрабатывают внутри капсулы.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют тарировку датчика, для чего осуществляют изменение значений порогового напряжения.3. Устройство для измерения внутриполостных параметров, содержащее капсулу, выполненную на конденсаторе, шине питания, связанной с датчиком и внутренним усилителем, который связан с датчиком, и внутренней антенне, а также внешний блок, выполненный на последовательно соединенных микроЭВМ, усилителе мощности, внешней антенне, приемном усилителе и фильтре, отличающееся тем, что в капсулу введены пороговый элемент, аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер, а во внешний блок-формирователь, при этом первый вход-выход микроконтроллера подключен к внутренней антенне, а второй вход-выход – к конденсатору, внутренний усилитель через аналого-цифровой преобразователь подключен к информационному входу микроконтроллера, вход прерывания которого через пороговый элемент подключен к шине питания, которая связана с выходом микроконтроллера и аналого-цифровым преобразователем, при этом фильтр через формирователь связан с микроЭВМ.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что микроЭВМ внешнего блока выполнена с возможностью ее связи через интерфейс с персональным компьютером.