СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И/ИЛИ ИДЕНТИФИКАЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК G01N27/02 

Изобретение относится к методам анализа физических и химических свойств биологических тканей и материалов биологического происхождения путем регистрации электрохимических параметров и математической обработки полученных данных, и может быть использовано в пищевой промышленности для аналитического контроля (диагностики) и оценки показателей качества и безопасности продуктов питания и сырья для их изготовления, а также в медицине для диагностики различных заболеваний и оценки степени патологических изменений в тканях и органах.

Известны способы измерения отдельных составляющих полного сопротивления, а именно активного и реактивного сопротивлений. Большинство из них основано на применении переменного тока высокой частоты с действующим напряжением до 12 В, например способ [SU №1759402 А1], где в состав измерительного устройства входят компенсационные элементы с переменными значениями сопротивления и емкости для компенсации активной и реактивной составляющих импеданса испытательного объекта. Такие методы не обеспечивают достаточной точности измерений вследствие того, что при использовании переменного тока полностью скомпенсировать активную и реактивную составляющие импеданса системы биологическая ткань - токовые электроды не представляется возможным. Кроме того, предлагаемые схемы, как правило, содержат индуктивные элементы, которые обуславливают существенные дополнительные погрешности и не позволяют измерить собственное активное сопротивление ткани.

Известен способ определения качества продуктов питания, описанный в патенте Великобритании [GB №2288022 А]. Сущность его заключается в том, что к испытательному объекту, мясу животного, прикладывают электрические импульсы, имеющие 3 или более гармонические частотные компоненты Фурье, осуществляют измерение тока или напряжения во временной и/или частотной области. И проводят сравнение характерных признаков между найденным и известным откликом, из которого делают вывод о качестве продукта питания.

Недостатком способа по патенту [GB №2288022 А], выбранного в качестве прототипа, является то, что пропускание высокочастотного тока через испытательный объект осуществляется до момента проведения измерения. Следовательно, клетки находятся не в реальном, а в измененном состоянии, поскольку биологические системы обладают способностью накапливать электрические заряды.

В результатах измерений, полученных по методу изложенному в [GB №2288022 А], неизбежно будут присутствовать ошибки измерения электрических параметров связанные с температурой образца, так как импеданс биологических тканей является функцией температуры. Кроме того, использование импульсов напряжения с низкой амплитудой приводит к отображению достаточно ограниченного объема информации, а необходимость использования электровоздействия в нескольких частотных областях усложняет проведение измерений и увеличивает их длительность.

Задачей настоящего изобретения является разработка нового метода определения электрических характеристик биологических тканей и материалов биологического происхождения пригодного для идентификации и качественного анализа свойств биообъектов.

Технический результат - экспрессный и высокоинформативный метод и устройство для анализа свойств биообъектов.

Задача изобретения решается тем, что как и в известном способе - прототипе, на биологический объект воздействуют электрическим током в течение определенного времени, измеряют значение токов и напряжения, осуществляют сохранение массива полученных данных и математическую обработку полученного массива.

Новым в предлагаемом способе является то, что измерение значений токов и напряжения осуществляют одновременно с электровоздействием на биологический объект, при этом электровоздействие осуществляют, по меньшей мере, одним импульсом напряжения с регулируемым значением скорости нарастания и/или спада напряжения, составляющим не менее 10⁴ В/с.

Предпочтительно, что скорость нарастания и скорость спада напряжения составляет 10⁷-10⁹ В/с.

При этом воздействие электрическим током осуществляют либо одним импульсом, либо группой единичных импульсов.

В случае использования группы импульсов их пропускание осуществляют с частотой лежащей в диапазоне значений 0,5-10 Гц.

Предпочтительно, чтобы при воздействии группой импульсов частота их пропускания составляла 0,8-2,0 Гц

Время паузы между импульсами в группе должно быть достаточным для релаксации биологической ткани т.е. для возвращения ее в состояние, которое существовало до электровоздействия, поэтому в случае использования группы импульсов их пропускание осуществляют с частотой не более 10 Гц. Такая организация электровоздействия позволяет также избежать катастрофичного разогрева биологической ткани. Минимальное значение частоты составляет 0,5 Гц. Пропускание импульсов с меньшей частотой приведет к увеличению длительности измерений и усложнит регистрацию электрического сигнала аналого-цифровым преобразователем.

Используют импульсы напряжения со следующими параметрами:

- форма импульса: трапециевидная, треугольная, предпочтительно симметричная треугольная;

Предпочтительно, чтобы длительность трапециевидного импульса (основание трапеции) составляла 5-300 мкс.

Предпочтительно, чтобы длительность треугольного импульса (основание треугольника) составляла 5-300 мкс.

Амплитудное значение напряжения для трапециевидного и треугольного импульсов -до 1000 В.

Предпочтительно, чтобы амплитудное значение напряжения для трапециевидного и треугольного импульсов составляло 90-300 В.

Конкретные параметры импульсного электровоздействия выбираются в зависимости от свойств или типа конкретного испытательного объекта.

Минимальное значение длительности импульса 1 мкс обусловлено тем, что данное значение соответствует минимально требуемому времени, для того чтобы процесс протекания тока через биологическую ткань перешел в установившийся режим.

Увеличение длительности импульсов выше максимального заявленного значения -800 мкс, приводит к значительной деструкции ткани, а также к ее локальному перегреву и газовыделению, что, снижает информативность измерений.

Предпочтительно чтобы система измерения электрических параметров содержала, по меньшей мере, один инвазивный электрод сравнения, помещаемый в биообъект, в пространство между токоведущими электродами.

Применение инвазивного электрода сравнения позволяет проводить прямые измерения поляризационного напряжения U_п на границе раздела инвазивный электрод (анод/катод) - биологический материал.

Предпочтительно, чтобы измерение тока, протекающего через испытательный объект, осуществлялось преобразователем ток - напряжение, который представляет собой датчик Холла либо резистивный шунт.

За счет применения импульсов напряжения с заявляемыми значениями амплитуды и скорости нарастания становится возможным определить величину активной составляющей импеданса и, что более важно, емкостную часть сопротивления.

Важно отметить, что указанные параметры воздействия реализуются для нагрузки, сопротивление которой имеет исключительно активную составляющую. Для таких сложных объектов, которыми являются биологические ткани и материалы биологического происхождения, полное сопротивление имеет как активную, так и реактивную составляющие, поэтому характер нарастания и спада напряжения на испытательном объекте может не соответствовать параметрам выходного напряжения устройства осуществляющего электровоздействие. Таким образом, установлено что характер нарастания и спада как тока, так и напряжения в реальном испытательном объекте является отображением его свойств.

Дополнительно перед электровоздействием осуществляют пробоподготовку, которая заключается, например, в выдерживании образца и инвазивных электродов в воздушном термостате при температуре 20°С, до достижения ими указанной температуры.

Предпочтительно, чтобы соотношение катодной и анодной плотности тока при электровоздействии находилось в интервале от 1:1 до 10:1.

Кроме того, для идентификации биологических объектов и их состояния математическую обработку осуществляют путем сравнения полученного массива данных с массивами, полученными для известного состояния биологического объекта, и на основе проведенного сравнения делают вывод о виде или состоянии биологического объекта.

Если в качестве испытательного объекта выступают продукты питания или сырье для их изготовления, то для определения показателей качества на испытательный объект воздействуют электрическим током, проводят измерение значений тока и падения напряжения, сохранение массива полученных данных и сравнение полученных данных с массивами, полученными для испытательных объектов с известными показателями качества, на основе проведенного сравнения делают вывод о качестве продукта питания.

Поставленная задача достигается также тем, что заявляемое устройство для определения электрических характеристик биологических объектов содержит генератор испытательных сигналов, выполненный с возможностью управления скоростью нарастания и/или спада выходного напряжения, электроды для подачи напряжения на биологический объект и измерения электрических характеристик объекта, измерительный модуль (система), компьютер для управления генератором испытательных сигналов, сохранения и обработки массивов данных электрических характеристик.

Измерительный модуль выполнен с возможностью согласованного во времени измерения тока и напряжения.

Измерительная система может быть выполнена двухканальной, в которой первый канал содержит делитель напряжения, соединенный с аналого-цифровым преобразователем для измерения напряжения, второй канал содержит преобразователь ток-напряжение также соединенный с аналого-цифровым преобразователем для измерения тока.

Измерительная система может быть также выполнена трехканальной, в которой первый канал содержит первый делитель напряжения, соединенный с аналого-цифровым преобразователем для измерения напряжения, второй канал содержит второй делитель напряжения, соединенный с аналого-цифровым преобразователем для измерения поляризационного напряжения и третий канал содержит преобразователь ток-напряжение, также соединенный с аналого-цифровым преобразователем для измерения тока.

Кроме того, генератор испытательных сигналов состоит из следующих основных элементов: устройства задания формы испытательного сигнала, управляемое с компьютера, усилителя мощности, который усиливает исходный испытательный сигнал до заданного значения напряжения, таким образом, формируя его масштабную копию и обеспечивая протекание требуемого тока и источника питания.

Кроме того, генератор испытательных сигналов состоит из следующих основных элементов: блока накопления электрической энергии, силового ключа, управляемого устройством управления, выполняющим функцию открывания и запирания ключом, что позволяет управлять скоростью нарастания и спада выходного напряжения генератора испытательных сигналов и его формой.

При этом накопление электрической энергии в блоке может осуществляться посредством емкостных, индуктивных элементов, трансформатора.

Кроме того, генератор испытательных сигналов состоит из следующих основных элементов: блока накопления электрической энергии, силового ключа, управляемого при помощи компьютера, при этом для управления скоростью нарастания/спада выходного напряжения генератора испытательных сигналов использована переменная индуктивность.

Описанные варианты исполнения генератора испытательных сигналов позволяют получать импульсы напряжения, например, трапециевидной или треугольной формы с требуемой скоростью нарастания/спада выходного напряжения.

Предпочтительно устройство содержит дополнительный электрод - электрод сравнения (10) для измерения поляризационного напряжения.

При этом электроды (9, 9') для подачи напряжения на биологический объект и электрод сравнения (10) конструктивно объединены в единый блок - датчик.

Желательно, чтобы электроды для подачи напряжения были выполнены в форме игл для погружения электродов в исследуемый биологический объект.

Увеличение катодной плотности тока по отношению к анодной позволяет обеспечить больший срок службы инвазивных электродов, а также проводить прямые измерения поляризационного напряжения U_п на границе раздела инвазивный катод - биологический материал.

Увеличение катодной плотности тока достигается за счет использования в качестве инвазивных электродов игл с одинаковыми размерами, при множестве игл, выполняющих функцию катода. Катодные иглы соединяются параллельно, т.е. имеют между собой электрический контакт. Кроме того, при такой организации процесса электровоздействия становится возможным оказаться от использования электрода сравнения, который, как правило, имеет высокую стоимость.

Биологические ткани можно охарактеризовать как проводники второго рода, обладающие ионной электропроводностью. Наличие клеточных мембран, ограничивающих цитоплазму и внутриклеточные структуры, обуславливает достаточно высокую электроемкость ткани и ее способность к поляризации, так как мембраны обладают высокими диэлектрическими свойствами при малой толщине - около 10 нм. Высокая поляризационная емкость является характерным свойством живых неповрежденных биологических тканей [Биофизика: Учебное пособие. Б.Н.Тарусов, В.Ф.Антонов, Б.В.Бурлакова и др. М.: «Высшая школа», 1968. 468 с. С.189, Елисеев, Д.С. Автоматический контроль состояния растительной ткани сорняков при электрообработке. Текст.: / Д.С.Елисеев // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2004. - №3. - с.21-22.].

При повреждении биологических тканей, вследствие гибели клеток, последующей деградации мышечных белков протеолитическими энзимами, а также за счет выравнивания концентраций ионов натрия и калия по обе стороны мембраны, ткань постепенно утрачивает способность к поляризации. Поэтому емкостная составляющая, например, импеданса мяса непосредственно после забоя имеет максимальное значение, а с увеличением срока хранения - уменьшается, одновременно с этим уменьшается и активная составляющая. [Биофизика: Учебное пособие. Б.Н.Тарусов, В.Ф.Антонов, Б.В.Бурлакова и др. М.: «Высшая школа», 1968. 468 с. С.192]. Данное свойство позволяет использовать электрические характеристики биологических объектов для определения их показателей качества.

Осуществление электровоздействия при заявляемых значениях напряжения (до 1000 В), в отличии от известных способов, позволяет выявить начавшееся разрушение мембран за счет их принудительной деполяризации. Поэтому такой способ является по сравнению с известными более информативным (чувствительным).

Пробой липидной компоненты мембран при заявляемых параметрах импульсного напряжения приводит к резкому, но кратковременному увеличению проницаемости клеток и увеличению ионных потоков, вызывая их обратимую деполяризацию. Кроме того, применение такого электровоздействия позволяет избежать появления так называемого «скрадывающего» эффекта, обусловленного влиянием тканевых жидкостей, который присутствует в известных способах и препятствует установлению абсолютной величины емкостного сопротивления. Именно емкостная часть тока и динамика ее изменения объективно отражает морфо-функциональное состояние биологической ткани, а также позволяет оценить степень разрушения клеточных мембран.

Поскольку клеточные мембраны биологических тканей способны накапливать заряды, то при прохождении электрического тока могут наблюдаться процессы заряда и перезаряда, которые, в зависимости от природы биологического материала, отражаются на величине тока. Скорости заряда и перезаряда при изменении поляризации будут различаться в зависимости от видовой принадлежности биообъектов и природы ткани, поскольку видовое строение клеток биологической ткани у различных видов различно. Различия связаны с размером клеток, строением клеточных мембран, составом внутри и межклеточных сред и, следовательно, проводимостью. Это приводит к различиям в локализации зарядов в мембранах и различному соотношению между величинами накапливаемых зарядов.

Регистрируемые в заявляемом способе электрические параметры испытуемых объектов оцифровываются с определенной дискретностью и представляются в виде большого массива данных, из которого, например, могут быть выделены значения тока, его активная, емкостная и псевдоемкостная составляющие. Формируемый массив данных, соответствующий конкретному биологическому материалу является уникальным и соответствует его состоянию.

Совпадение массива полученного на испытуемом объекте с массивом эталона позволяет идентифицировать биологический объект. Особенностью является то, что за один непрерывный цикл измерения получается массив данных, состоящий из точек, соответствующих различным условиям электровоздействия (различным потенциалам).

Поскольку размер массива задается дискретностью, то и точность определения может регулироваться. Таким образом, биологический материал идентифицируется по огромному количеству точек полученных в разных условиях, но в процессе одного короткого измерения. Большое количество точек позволяет увеличить точность идентификации материала.

При хранении биологического материала происходят его биологические изменения. Это находит отражение в изменении строения клеточных мембран, изменении состава внутри и межклеточных сред. Меняется способность к накоплению зарядов и проводимость биообъектов. Подобные изменения будут приводить к изменению активной и емкостной составляющих тока и в целом отражаться на массиве регистрируемых данных, что позволяет осуществлять идентификацию и определение показателей качества биообъектов и биологических материалов.

Ниже приведено обоснование применимости импульсов напряжения треугольной формы с целью отображения свойств, характеризующих биообъекты.

Применение для поляризации исследуемых объектов импульсов задающего напряжения треугольной формы позволяет проводить прямые измерения величин плотности тока при заданной скорости изменения потенциала.

Поскольку величина емкостного тока определяется соотношением:

$$i_{с}=С\frac{dU}{dt}$$ ,

где i_с - плотность емкостного тока, А/м²;

С - емкость, Ф;

U - напряжение, В;

t - время, с;

то общую плотность тока можно определить как:

$$i=i_a+i_c=i_a+С\frac{dU}{dt}$$ ,

где i_a - плотность активного тока, А/м².

При использовании импульсов задающего напряжения, имеющего форму равнобедренного треугольника, на восходящей части напряжения плотность тока определяется величиной:

$$i_f=i_a+i_c=i_a+С\frac{dU}{dt}$$ ,

На нисходящей части напряжения плотность тока определяется величиной:

$$i_b=i_a+i_c=i_a+С\frac{dU}{dt}$$ .

Сумма токов на восходящей и нисходящей части позволяет определить величину активного тока:

$$i_f+i_b=2i_a$$ .

Разница величин токов на восходящей и нисходящей части позволяет определить величину емкостного тока:

$$i_f-i_b=2i_c+2С\frac{dU}{dt}$$ .

Поскольку величины плотностей токов в зависимости от напряжения являются непосредственно измеренными величинами, а величина скорости изменения напряжения задается (наклон является характеристикой формы задающего напряжения) появляется возможность измерения зависимости емкости от напряжения.

Варьирование скорости нарастания и спада напряжения в заявляемом диапазоне значений позволяет осуществлять выбор наиболее оптимального режима для регистрации массива данных электрических параметров, характеризующих электрохимическую систему, содержащую испытательный биообъект, что обеспечивает требуемую точность и информативность метода.

Воздействие на биообъекты импульсами со скоростью нарастания напряжения начиная от 10⁴ В/с позволяет прикладывать возрастающую разность потенциалов на биологический материал, где уже запущен процесс поляризации клеточных мембран. Таким образом, становится возможным установить требуемое для их принудительной деполяризации значение напряжения и соответствующий ток деполяризации.

Использование импульсов с более высокими значениями скорости нарастания напряжения позволяет получить данные, характеризующие процесс поляризации клеточных мембран на начальном этапе электровоздействия, что находит свое отображение в характере колебаний тока, соответствующего восходящей части напряжения. Верхнее значение скорости нарастания напряжения ограничено параметрами существующих электронных ключей и составляет порядка 10¹¹ В/с.

Применение импульсов с различными значениями скорости нарастания и спада напряжения позволяет выделить сразу несколько различных видов характеристических параметров испытательных биообъектов, что будет показано в примере 2.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами.

На фиг.1 показана блок-схема предлагаемого устройства для осуществления заявляемого способа.

На фиг.2 (а) приведена схема измерительной системы устройства для варианта с использованием электрода сравнения.

На фиг.2 (б) приведена схема измерительной системы без использования электродов сравнения.

На фиг.3 показана функциональная схема заявляемого устройства.

На фиг.4 представлен внешний вид устройства для осуществления заявляемого способа в портативном варианте исполнения.

На фиг.5 показана структурная схема генератора испытательных сигналов (вариант 1).

На фиг.6 показана структурная схема генератора испытательных сигналов (вариант 2).

На фиг.7 показана структурная схема генератора испытательных сигналов (вариант 3)

На фиг.8 приведена характерная зависимость тока от времени в электрохимической системе при заявляемом типе воздействия.

На фиг.9 приведены зависимости тока от времени для примера 1.

На фиг.10 приведены вольтамперные зависимости для примера 1.

На фиг.11 а) приведены зависимости тока от времени для первого варианта электровоздействия по примеру 2.

На фиг.11 б) приведены зависимости тока от времени для второго варианта электровоздействия по примеру 2.

На фиг.12 приведены зависимости напряжения от времени для второго варианта электровоздействия по примеру 2.

На фиг.13 приведены зависимости тока от времени для первого варианта электровоздействия по примеру 3.

На фиг.14 приведены зависимости тока от времени для второго варианта электровоздействия по примеру 3.

На фиг.15 приведены зависимости тока от времени по примеру 4.

Способ реализуется с использованием предлагаемого устройства для осуществления заявляемого способа, блок - схема которого приведена на Фиг.1. Блок 1 является генератором испытательных сигналов, представляющих собой импульсы напряжения с задаваемыми параметрами. Блок 2 представляет собой приспособление - датчик, в котором для удобства пользования в конкретном исполнении могут быть конструктивно объединены и закреплены, например, инвазивные электроды (фиг.3), что позволяет менять межэлектродное расстояние и длину инвазивных электродов. Испытательный сигнал через датчик 2 с инвазивными электродами, подается на испытуемый объект 3. К датчику 2 подключен измерительный модуль 4, который осуществляет согласованное во времени измерение электрических параметров, таких как ток и напряжение. Информация об измеренном сигнале передается в память компьютера 5, где происходит ее сохранение и обработка. Результаты отображаются на дисплее компьютера 5. Задание параметров испытательных сигналов осуществляется с помощью компьютера 5.

Заявляемое для реализации способа устройство разработано на основе известного измерительного оборудования для измерения и контроля электрических параметров сильнотоковых импульсных процессов в растворах электролитов, описанного в [RU №2284517 «Способ определения электрических параметров сильнотоковых импульсных «Способ определения электрических параметров сильнотоковых импульсных процессов в растворах электролитов и компьютерная система измерения].

На фиг.2 (а) приведена схема измерительной системы устройства для варианта с использованием электрода сравнения. На фиг.2 (б) приведена схема измерительной системы без использования электродов сравнения.

С помощью аналого-цифрового преобразователя 6 осуществляется согласованная во времени регистрация электрических параметров значений тока и напряжения в электрохимической системе, содержащей испытательный биообъект 3 с последующей передачей этой информации в компьютер 5 для сохранения и обработки при помощи программного обеспечения, позволяющего обрабатывать массивы данных.

В результате работы измерительной системы 4 в компьютер 5 вводятся согласованные во времени данные, соответствующие падению напряжения в электрохимической системе, поляризационному напряжению U_п на границе раздела инвазивный электрод - биологический материал и данные тока, протекающего через испытуемый объект в моменты времени, соответствующие регистрируемым фронтам импульсов при заданных параметрах испытательного сигнала. Измерение может проходить в режиме усреднения значений электрических параметров от 2 до 256 импульсов.

Генератор испытательных сигналов в первом варианте (фиг.5) состоит из следующих основных элементов:

- устройства задания исходной формы испытательного сигнала - функционального сигнала 11, содержащего схему задания формы; устройство 11 управляется с компьютера 5;

- усилителя мощности 12, который усиливает исходный функциональный сигнал до заданного значения напряжения, обеспечивая протекание требуемого тока, таким образом, формируя его масштабную копию;

- 13 - источника питания;

- 14, 15 - разъемов для подключения датчика 2 с инвазивными электродами.

Генератор испытательных сигналов (фиг.6) во втором варианте состоит из следующих основных элементов:

- источника питания 13;

- блока накопления электрической энергии 16; накопление электрической энергии может осуществляться посредством емкостных, индуктивных элементов, трансформатора;

- силового ключа 17.

Сигналы на вход силового ключа поступают с устройства управления ключом 18, которое в свою очередь управляется при помощи компьютера. Устройство 18 выполняет функцию управляемого открывания и запирания ключа, что позволяет управлять скоростью нарастания и спада выходного напряжения генератора испытательных сигналов.

- 14,15 - разъемы для подключения датчика.

Генератор испытательных сигналов в третьем варианте (фиг.7) состоит из следующих основных элементов:

- источника питания 13;

- блока накопления электрической энергии 16; накопление электрической энергии может осуществляться посредством емкостных, индуктивных элементов, трансформатора;

- силового ключа 17, управляемого при помощи компьютера.

Для управления скоростью нарастания/спада выходного напряжения генератора испытательных сигналов используется переменная индуктивность 19 - (индуктивный элемент pL с переменным номиналом). Скорость нарастания/спада выходного напряжения является функцией номинала индуктивного элемента 19.

- 14, 15 - разъемы для подключения датчика с инвазивными электродами.

Измерительный модуль (система) заявляемого устройства функционирует следующим образом: с помощью одного из входов аналого-цифрового преобразователя 6 осуществляется регистрация параметров испытательных сигналов, что с высокой точностью позволяет проводить измерения напряжение U, подаваемого в электрохимическую систему. В случае необходимости используют делитель напряжения 7. Аналогичным образом регистрируется поляризационное напряжение U_п. На другой вход аналого-цифрового преобразователя подается напряжение от преобразователя ток - напряжение 8, которое прямо пропорционально току I, протекающему через испытательный объект. Для варианта измерительной системы с использованием электрода сравнения, последний соединяют с одним из входов аналого-цифрового преобразователя. На Фиг.2 (а) электрод сравнения соединен со вторым каналом аналого-цифрового преобразователя. С помощью компьютера 5 (фиг.3) оператором осуществляется задание параметров испытательных сигналов. Испытательный сигнал (импульсы напряжения с заданными параметрами) подается на датчик 2 (электроды). Датчик 2 оснащен инвазивными электродами в форме игл 9 и 9', электрод сравнения 10 также выполнен в форме иглы. Такое исполнение позволяет погружать электроды в испытуемые биообъекты, например, прокалывать кожу и подкожный жир мяса, что упрощает процедуру проведения испытаний. К датчику 2, погруженному в испытуемый объект 3, подключен измерительный модуль 4. Измеренные с требуемой дискретностью в ходе электровоздействия на испытуемый объект электрические параметры передаются с аналого-цифрового преобразователя 6 измерительного модуля 4 в память компьютера 5 в виде массива данных. Полученный массив данных сохраняется и обрабатывается. Результаты испытания визуализируются на дисплее компьютера 5.

При обработке полученных данных производится построение вольтамперной зависимости и хроноамперограммы. Также может осуществляться вычисление общего импульсного тока, емкостной и активной составляющих тока, удельного активного сопротивления и удельной емкости и других дополнительных параметров, служащих критериями (классифицирующими признаками) для дальнейшей идентификации и определения показателей качества.

К дополнительным параметрам могут быть отнесены:

- значения напряжения деполяризации и соответствующего тока деполяризации;

- соотношение углов наклона нарастающего/спадающего напряжения и тока;

- интервал времени между достижением амплитудных значений током и напряжением;

- характер колебательного процесса для тока в период нарастания напряжения до заданного значения;

- уравнения, полученные аппроксимацией для различных участков зависимостей тока и напряжения от времени.

Для реализации электронного измерительного устройства в портативном варианте, используемый компьютер также может быть портативным и размещаться в одном корпусе с генератором испытательных сигналов (фиг.4).

На фиг.8 приведена характерная зависимость тока от времени.

Суммарный импульс тока I, протекающий через электрохимическую систему, состоит из двух составляющих: емкостной и активной. Резкий скачок тока в начале импульса обусловлен емкостной составляющей I1. Затем значение тока снижается до определенного значения и I2 и остается постоянным.

Заявленный способ поясняется следующими примерами.

Для осуществления электровоздействия использовали устройство, приведенное на фиг.3, с генератором испытательных сигналов, приведенным на фиг.6, позволяющим осуществлять электрическое воздействие со следующими параметрами: напряжение в импульсе - до 500 В, длительность импульса 10-700 мкс, частота следования импульсов 0,5-4 Гц, скорость нарастания/спада напряжения лежит в интервале 10⁶-10⁹ В/с. В качестве аналого-цифрового преобразователя выступал цифровой осциллограф Gwinstek 71062A.

В ходе проведения испытаний выполнялось следующие условие: геометрические размеры инвазивных электродов и площадь контакта каждого из электродов с биологической тканью во всех измерениях оставались постоянными.

Пример 1.

Исследованию подвергли мясо курицы (мышечную ткань) с различными периодами времени после забоя, а именно 1, 2, 3, 4 суток.

В течение времени проведения испытаний все образцы помещались в герметичные полиэтиленовые контейнеры, предотвращающие высыхание и хранились в воздушном термостате при температуре 20°С.

Для выполнения измерений пробы размещались на непроводящей поверхности выполненной из текстолитового листа. В качестве электродов были использованы иглы из нержавеющей стали. При этом размеры игл были одинаковыми, что обеспечивало одинаковую плотность катодного и анодного токов - 1:1. Расстояние между электродами составляло 8 мм и в ходе выполнения всех измерений оставалось постоянным.

Режим электровоздействия был следующим: форма импульсов постоянного напряжения - трапециевидная, время нарастания напряжения до заданного значения 300 не (скорость нарастания напряжения 10⁹ В/с), разность потенциалов между электродами 300 В, длительность импульсов 100 мкс, частота следования импульсов 1,4 Гц, количество импульсов прошедших через электрохимическую систему - 16.

Электрические параметры регистрировались и сохранялись описанным выше способом (как изложено в описании).

Полученные данные для 16 импульсов усреднялись непосредственно с помощью аналого-цифрового преобразователя и были представлены графически в виде восходящих частей хроноамперограмм (фиг.9) и вольтамперных зависимостей (фиг.10) для разных периодов хранения испытуемого объекта. В данном случае такое отображение экспериментальных данных является наиболее информативным, что, однако, не означает отсутствия информативности других зарегистрированных параметров. На фиг.9 видно, что при хранении с первых по третьи сутки суммарный и активный ток возрастают, а соотношение емкостной и активной составляющих импульсного тока уменьшается. На четвертые сутки емкостная составляющая импульсного тока уже практически отсутствует, кроме того, существенно увеличивается время нарастания тока. При этом характер, произошедших на четвертые сутки изменений, является достаточно резким. На фиг.10 видно, что при хранении с первых по четвертые сутки происходит постоянное уменьшение площади ограничиваемой (внутри) вольтамперными зависимостями, что также свидетельствует об уменьшении емкостной составляющей электрического сопротивления биологической ткани. Данные по значениям тока приведены в таблице 1.

Стоит отметить, что именно на четвертые сутки хранения непригодность мяса, с точки зрения потребительских качеств может быть однозначно установлена по визуальным и органолептическим критериям.

Уменьшение соотношения емкостной и активной составляющих импульсного тока и возрастание активного тока согласуется с утверждением о разрушении клеточных мембран при длительном хранении мяса, в том числе под воздействием бактерий. Поскольку именно клеточные мембраны в значительной степени обуславливают наличие емкостной составляющей импеданса биологических объектов. При этом деструкция мембран увеличивает общую проводимость таких объектов.

Таблица 1 Электрические параметры образца мышечной ткани курицы Сутки хранения 1 2 3 4 Общий ток, А 0,74 0,99 1,16 0,86 Активный ток, А 0,46 0,76 0,99 0,85 Емкостный ток, А 0,28 0,23 0,17 0,01 Доля емкостного тока в общем токе, %         37,8 23,2 14,7 1,2        

Практически полное отсутствие на 4 сутки хранения емкостной составляющей импульсного тока однозначно свидетельствует о значительной деструкции ткани и, следовательно, непригодности данного вида продукции к употреблению в пищу. Данный вывод подтверждается исследованиями, выполненными органолептическими методами.

Пример 2.

Исследованию подвергли образцы двух видов рыб с одинаковыми периодами времени после размораживания: сельди и карася.

В течение времени проведения испытаний все образцы помещались в герметичные полиэтиленовые контейнеры, предотвращающие высыхание и хранились в воздушном термостате при температуре 20°С.

Электровоздействие осуществлялось в двух режимах. В первом режиме использовались импульсы постоянного напряжения трапециевидной формы, разность потенциалов между электродами 200 В, время нарастания напряжения до заданного значения составляло 211 не (скорость нарастания напряжения 0,95·10⁹ В/с), длительность импульсов 100 мкс, частота следования импульсов 1,4 Гц, количество импульсов прошедших через электрохимическую систему - 16. Во втором режиме использовались импульсы постоянного напряжения трапециевидной формы, разность потенциалов между электродами 400 В, время нарастания напряжения до заданного значения составляло 12 мкс (скорость нарастания напряжения 3,3·10⁷ В/с), длительность импульсов 100 мкс, частота следования импульсов 1,4 Гц, количество импульсов прошедших через электрохимическую систему - 16.

Электровоздействие в обоих режимах осуществлялось при отношении площади катода к площади инвазивных анодов 1:10. При этом использовался один катод и десять анодов. Глубина погружения всех электродов была постоянной. Кроме того, дополнительно был использован инвазивный электрод сравнения, выполненный из платины, который помещался в испытуемые объекты на расстоянии 3 мм от катода. Падение напряжения регистрировалось как между противоэлектродами, так и между электродом сравнения и катодом. Такая организация электровоздействия и измерения электрических параметров позволяет практически полностью исключить анодную поляризацию и с высокой достоверностью осуществлять прямые измерения поляризации границы раздела инвазивный катод - биологический материал. В остальном методика проведения измерений была как в примере 1.

Полученные данные усреднялись непосредственно с помощью аналого-цифрового преобразователя и были представлены графически в виде восходящих частей зависимостей тока от времени для перового и второго режимов электровоздействия (фиг.11 (а, б)) и поляризационного напряжения катода от времени (фиг.12) для второго режима электровоздействия.

На фиг.11 (а) видно, что при одинаковых параметрах воздействия величины суммарного и активного токов для сельди значительно выше, чем для карася, а доля емкостного тока в общем токе для карася составляет 30,4% для сельди - 21,6%. Характер, колебательного процесса при нарастании тока для исследованных образцов также является различным.

На фиг.11 (б) видно, что при использовании второго варианта электровоздействия, с меньшей скоростью нарастания напряжения, удается выделить дополнительные характеристические параметры испытуемых объектов, а именно величину тока деполяризации и напряжение деполяризации. Однако определение характера колебательного процесса для тока при этом становится практически невозможным (существенно усложняется). Поэтому для ряда случаев является целесообразным использовать электрическое воздействие, содержащее в себе импульсы с различными параметрами в заявляемом диапазоне параметров.

На фиг.12 видно, что для обоих исследованных образцов наблюдается явление деполяризации границы раздела катод - биологический материал. При этом напряжение деполяризации для каждого из исследованных образцов различно.

Результаты измерений параметров импульсного напряжения и тока представлены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2 Электрические параметры образцов рыбы при первом варианте электровоздействия Наименование образца Карась Сельдь Общий ток, А 0,46 0,88 Активный ток, А 0,32 0,69 Емкостный ток, А 0,14 0,19 Доля емкостного тока в общем токе, %     30,4 21,6    

Таблица 3 Электрические параметры образцов рыбы при втором варианте электровоздействия Наименование образца Карась Сельдь Общий ток, А 1,44 3,42 Активный ток, А 1,33 2,91 Емкостный ток, А 0,11 0,51 Ток деполяризации, А 0,27 0,85 Напряжение деполяризации, В 144,9 106,8 Доля емкостного тока в общем токе, %     7,6 14,9    

Образцы сельди в сравнении с образцами карася имеют более высокую общую проводимость при меньшей способности к поляризации, что обусловлено различием величин сопротивления внутри и межклеточных сред и различием в емкостных свойствах мембран данных испытуемых объектов.

Таким образом, показано, что заявляемый способ позволяет осуществлять определение видовой принадлежности рыб.

Пример 3.

Исследованию подвергли мясо свиньи (мышечную ткань) с различными периодами времени после забоя, а именно 1, 2, 3, 4 суток.

Пробоподготовка, хранение образцов и методика проведения измерений были как в примере 1.

Режим электровоздействия был следующим: форма импульсов постоянного напряжения - трапециевидная, время нарастания напряжения до заданного значения 200 не (скорость нарастания напряжения 10⁹ В/с), разность потенциалов между электродами 200 В, длительность импульсов 150 мкс, частота следования импульсов 1,4 Гц, количество импульсов прошедших через электрохимическую систему - 16.

Полученные данные были представлены графически в виде восходящих частей хроноамперограмм (фиг.13) и вольтамперных зависимостей (фиг.14) для разных периодов хранения испытуемого объекта.

На фиг.13 видно, что при хранении с первых по третьи сутки суммарный и активный ток возрастают, а соотношение емкостной и активной составляющих импульсного тока уменьшается. На четвертые сутки емкостная составляющая импульсного тока уже практически отсутствует, кроме того, существенно увеличивается время нарастания тока. При этом характер, произошедших на четвертые сутки изменений, является достаточно резким. На фиг.14 видно, что при хранении с первых по четвертые сутки происходит постоянное уменьшение площади ограничиваемой (внутри) вольтамперными зависимостями, что также свидетельствует об уменьшении емкостной составляющей электрического сопротивления биологической ткани. На четвертые сутки хранения непригодность мяса, с точки зрения потребительских качеств может быть однозначно установлена по визуальным и органолептическим критериям. Данные по значениям тока приведены в таблице 1.

Таблица 4 Электрические параметры образца мышечной ткани курицы Сутки хранения 1 2 3 4 Общий ток, А 1,05 1,07 1,09 0,74 Активный ток, А 0,72 0,80 0,83 0,70 Емкостный ток, А 0,33 0,27 0,26 0,04 Доля емкостного тока в общем токе, %         31,4 25,2 23,9 5,4        

Практически полное отсутствие на 4 сутки хранения емкостной составляющей импульсного тока однозначно свидетельствует о значительной деструкции ткани и, следовательно, непригодности данного вида продукции к употреблению в пищу. Данный вывод подтверждается исследованиями, выполненными органолептическими методами.

Пример 4.

Электровоздействие осуществлялось как в вышеприведенных примерах с использованием инвазивных электродов. В качестве объекта электровоздействия выступал точный чип резистор серии SMD 1206 с номиналом 100 Ом и точностью ±1% (F). Режим электровоздействия на резистор и метод регистрации электрических параметров был как в примере 1.

Полученные данные для 16 импульсов усреднялись непосредственно с помощью аналого-цифрового преобразователя и были представлены графически в виде восходящей части хроноамперограммы (фиг.15) при напряжениях 200 В и 400 В.

Из приведенной на фигуре 15 зависимости видно, что емкостная составляющая импульсного тока отсутствует, отсутствует также колебательный процесс для тока в период нарастания до заданного значения. Таким образом, показано, что сложный характер зависимости тока от времени при заявляемом способе аналитического контроля не является следствием искажения результатов измерений вследствие шума (вклада) создаваемого (вносимого) источником питания (измерительными приборами), «дребезга» элементов электрических схем, проводов, электрических контактов, электродов и т.п., а является откликом измерительной системы, который соответствует свойствам испытуемого объекта.

Полученные в приведенных примерах результаты измерений электрических параметров электрохимических процессов в испытуемых объектах, представляющих собой материалы биологические ткани показывают, что регистрируемые отклики являются характеристиками именно биологической ткани, а не погрешностями измерения, вызванными теми или иными факторами. Доказано, что форма и динамика изменений вольтамперных и хроноамперометрических зависимостей находится в строгом соответствии с видом биологической ткани и ее свойствами.

Из представленных зависимостей видно, что при реализации заявляемого в способе электровоздействия на испытательные объекты, регистрации электрических параметров системы и последующей математической обработки полученных данных удается осуществить идентификацию и определение показателей качества биологических тканей, например, мяса животных.

Таким образом, показано, что происходящие при хранении образцов биологической ткани необратимые изменения находятся в строгой взаимосвязи с электрическими параметрами электрохимических процессов, возбуждаемых описанным выше методом (методом приложения к испытательным объектам коротких импульсов напряжения с высокими значениями разности потенциалов).

Изобретение относится к методам анализа физических и химических свойств биологических тканей и материалов биологического происхождения путем регистрации электрохимических параметров и математической обработки полученных данных и может быть использовано в пищевой промышленности для аналитического контроля (диагностики) и оценки показателей качества и безопасности продуктов питания и сырья для их изготовления, а также в медицине для диагностики различных заболеваний и оценки степени патологических изменений в тканях и органах. В предлагаемом способе определения электрических характеристик и/или идентификации биологических объектов на биологический объект воздействуют электрическим током в течение определенного времени, измеряют значение токов и напряжения, осуществляют сохранение массива полученных данных и математическую обработку полученного массива, при этом измерение значений токов и напряжения осуществляют одновременно с электровоздействием на биологический объект, при этом электровоздействие осуществляют, по меньшей мере, одним импульсом напряжения с регулируемым значением скорости нарастания и/или спада напряжения, составляющим не менее 10⁴ В/с. Предпочтительно, что скорость нарастания и скорость спада напряжения составляет 10⁷-10⁹ В/с. Также предложено устройство для осуществления данного способа. Изобретение обеспечивает экспрессный и высокоинформативный метод и устройство для анализа свойств биообъектов. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 15 ил., 4 табл., 4 пр.

1. Способ определения электрических характеристик и/или идентификации биологических объектов, включающий установку электродов на биологический объект, подачу на них напряжения, измерение значений тока и напряжения, сохранение и обработку массива полученных данных, отличающийся тем, что измерение значений токов и напряжения осуществляют одновременно с электровоздействием на биологический объект, при этом электровоздействие осуществляют, по меньшей мере, одним импульсом напряжения с регулируемым значением скорости нарастания и/или спада напряжения, составляющим не менее 10⁴ В/с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют импульсы напряжения, скорость нарастания/спада которых лежит в пределах от 10⁷ до 10⁹ В/с.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что используют импульсы напряжения трапециевидной формы с длительностью, составляющей 5-300 мкс.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что используют импульсы напряжения треугольной формы с длительностью, составляющей 5-300 мкс.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют импульсы напряжения до 1000 В, предпочтительно 90-300 В.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при электрическом воздействии на биообъект группой импульсов их пропускание осуществляют с частотой, лежащей в диапазоне значений 0,5-10 Гц, предпочтительно 0,8-2,0 Гц.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что используют импульсы с различными параметрами, например, с различными значениями скорости нарастания и скорости спада напряжения.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что для подачи импульсов напряжения на биологический объект и измерения электрических характеристик используют, по меньшей мере, два токоведущих электрода: анод и катод, которые помещают на биологический объект или погружают в биологический объект.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что для измерения электрических характеристик дополнительно используют, по меньшей мере, один электрод сравнения, который помещают на биологический объект или погружают в биологический объект.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что электрическое воздействие на биологический объект осуществляют анодно-катодным током при соотношении катодной и анодной плотности тока в интервале от 1:1 до 10:1.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что предпочтительно электрическое воздействие осуществляют при температуре биологического объекта и/или электродов, равной 20°С.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве массива данных электрических характеристик используют массив данных, согласованных во времени значений тока и напряжения.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что для идентификации биологических объектов и/или их состояния обработку полученного массива осуществляют путем сравнения полученного массива данных электрических характеристик с массивами, ранее полученными для известного биологического объекта, и на основе проведенного сравнения делают вывод о виде или состоянии биологического объекта.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что, если в качестве испытуемого объекта выступают продукты питания или сырье для их изготовления, то для определения показателей их качества на испытуемый объект воздействуют электрическим током, проводят измерение значений тока и падения напряжения, сохранение массива полученных данных и сравнение полученных данных с массивами, полученными для испытуемых объектов с известными показателями качества, на основе проведенного сравнения делают вывод о качестве продуктов питания.

15. Устройство для определения электрических характеристик биологических объектов, содержащее генератор испытательных сигналов, выполненный с возможностью управления скоростью нарастания и/или спада выходных импульсов напряжения, электроды для подачи импульсов напряжения на биологический объект и одновременного измерения электрических характеристик объекта, измерительный модуль, при этом упомянутые электроды соединены с измерительным модулем, компьютер для управления генератором испытательных сигналов, хранения и обработки массивов данных электрических характеристик.

16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что оно содержит, по меньшей мере, один дополнительный электрод - электрод сравнения, соединенный с измерительным модулем для измерения поляризационного напряжения.

17. Устройство по п.15 или 16, отличающееся тем, что электроды для подачи напряжения на биологический объект и электрод сравнения выполнены в виде инвазивных игл для погружения электродов в исследуемый биологический объект.

18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что электроды для подачи напряжения на биологический объект и электрод сравнения конструктивно объединены в единый блок - датчик и установлены в нем с возможностью изменения их длины и межэлектродного расстояния.

19. Устройство по п.17, отличающееся тем, что для увеличения катодной плотности тока используют множество инвазивных электродов в виде игл с одинаковыми размерами, при этом иглы соединяются параллельно и выполняют функцию катода.

20. Устройство по п.15, отличающееся тем, что измерительный модуль выполнен с возможностью согласованного во времени измерения тока и напряжения.

21. Устройство по п.15, отличающееся тем, что измерительный модуль выполнен двухканальным, в котором первый канал содержит делитель напряжения, соединенный с аналого-цифровым преобразователем для измерения напряжения, второй канал содержит преобразователь ток-напряжение, также соединенный с аналого-цифровым преобразователем для измерения тока.

22. Устройство по п.15, отличающееся тем, что измерительный модуль выполнен трехканальным, в котором первый канал содержит первый делитель напряжения, соединенный с аналого-цифровым преобразователем для измерения напряжения, второй канал содержит второй делитель напряжения, соединенный с аналого-цифровым преобразователем для измерения поляризационного напряжения и третий канал содержит преобразователь ток-напряжение, также соединенный с аналого-цифровым преобразователем для измерения тока.

23. Устройство по п.15, отличающееся тем, что генератор испытательных сигналов состоит из следующих основных элементов: устройства для задания исходной формы испытательного сигнала, управляемого с компьютера, усилителя мощности, который усиливает исходный испытательный сигнал до заданного значения напряжения, обеспечивающего протекание требуемого тока, таким образом формируя его масштабную копию, и источник питания.

24. Устройство по п.15, отличающееся тем, что генератор испытательных сигналов состоит из следующих основных элементов: источника питания; блока накопления электрической энергии, силового ключа, управляемого устройством управления, выполняющего функцию открывания и запирания ключа, что позволяет управлять скоростью нарастания и спада выходного напряжения генератора испытательных сигналов.

25. Устройство по п.15, отличающееся тем, что генератор испытательных сигналов состоит из следующих основных элементов: источника питания; блока накопления электрической энергии, силового ключа, управляемого при помощи компьютера, при этом для управления скоростью нарастания и/или спада выходного напряжения генератора испытательных сигналов использована переменная индуктивность.