Электродное устройство для измерения биоэлектрических потенциалов Российский патент 2024 года по МПК A61B5/24 B82Y5/00 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для измерения биоэлектрических потенциалов, используемых преимущественно в приборах медицинской диагностики.

Известно электродное устройство [RU 2469642, МПК 6 А61В/04, А61В 5/0408, опубл. 20.12.2012], содержащее диэлектрический корпус, в котором расположен диэлектрический пористый контактный элемент, на нерабочей стороне которого выполнено углубление с нанесенным на его поверхность слоем серебра, соединенным с отводящим элементом спаем, причем для насыщения диэлектрического пористого контактного элемента использован электролит. Весь объем пор диэлектрического пористого контактного элемента заполнен наночастицами серебра, покрытыми хлоридом серебра, и пропитан электролитом. Слой серебра через токоотводящий серебряный элемент с помощью спая электрически связан с проводником, подключенным к входу электрографического прибора. На нерабочую сторону контактного элемента нанесен герметик, покрывающий углубление и место спая.

В качестве электролита использован состав, мас. %:

Вода 31-35 Хлористый калий 10-13 Агар-агар 2-3 Полиакриламид 0,5-0,8 Глицерин Остальное

Такое электродное устройство позволило повысить метрологические характеристики устройства для измерения и регистрации сигнала биоэлектрической активности различных органов и тканей человека нановольтового уровня в расширенном диапазоне частот от постоянного тока до десятков килогерц.

Известно электродное устройство [RU 2606112 С1, МПК А61В 5/04 (2006.01) опубл. 10.01.2017], выбранное в качестве прототипа, содержащее диэлектрический корпус, в котором расположен диэлектрический пористый контактный элемент, состоящий из не менее семи пористых диэлектрических пластин одинакового диаметра, заполненных наночастицами серебра, покрытых хлоридом серебра, пропитанных электролитом и электрически соединенных между собой серебросодержащей пастой путем припекания. На нерабочей стороне верхней пористой диэлектрической пластины выполнено углубление, в котором нанесен слой серебра, который через токоотводящий серебряный элемент с помощью спая соединен с проводником, подключенным к входу электрографического прибора. Нижняя диэлектрическая пластина выполнена с выступом для установки в отверстии дна корпуса. Диэлектрические пластины, расположенные между верхней и нижней диэлектрическими пластинами, выполнены толщиной не более 0,8 мм. Верхняя и нижняя пористые диэлектрические пластины выполнены высотой не более 1,5 мм.

В качестве электролита выбран состав, мас. %:

Вода 31-35 Хлористый калий 10-13 Агар-агар 2-3 Полиакриламид 0,5-0,8 Глицерин Остальное

Такое электродное устройство позволило повысить помехоустойчивость к внешним электромагнитным наводкам и снизить уровень собственных шумов до 200 нВ, что позволило регистрировать биоэлектрическую активность от 300 нВ в расширенном диапазоне частот от постоянного тока до десятков килогерц в реальном времени без фильтров.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение уровня собственных шумов электродного устройства до нуля для регистрации сигналов биоэлектрической активности различных органов и тканей человека от единиц нановольт.

Предложенное электродное устройство для измерения биоэлектрических потенциалов содержит диэлектрический корпус, в котором расположен диэлектрический пористый контактный элемент, состоящий из диэлектрических пористых пластин одинакового диаметра, объем пор которых заполнен наночастицами серебра, покрытыми хлоридом серебра, и пропитан электролитом, пластины электрически соединены между собой серебросодержащей пастой путем припекания. На нерабочей стороне верхней пористой диэлектрической пластины контактного элемента выполнено углубление, в котором нанесен слой серебра, который через токоотводящий серебряный элемент с помощью спая электрически связан с проводником, подключенным к входу электрографического прибора. На нерабочую сторону контактного элемента нанесен герметик, покрывающий углубление и место спая. Нижняя диэлектрическая пластина выполнена с выступом для установки в отверстии дна корпуса. Диэлектрические пластины, расположенные между верхней и нижней диэлектрическими пластинами, выполнены толщиной не более 0,8 мм. Верхняя и нижняя пористые диэлектрические пластины выполнены высотой не более 1,5 мм.

Согласно изобретению диэлектрический пористый контактный элемент состоит из не менее шестнадцати диэлектрических пористых алюмокремниевых оксидных керамических пластин с размером сообщающихся пор 1-5 мкм, которые заполнены наночастицами серебра, покрытыми хлоридом серебра, по всей толщине пластины так, что масса наночастиц серебра, покрытых хлоридом серебра, в разных слоях каждой алюмокремниевой оксидной керамической пластины составляет 4,4-48,4 % по отношению к общей массе остальных компонентов состава, из которого изготовлена пластина, причем наночастицы серебра выполнены сферической и эллипсоидальной формой диаметром 57-142 нм.

В качестве электролита выбран состав, мас. %:

Вода 31-35 Хлористый калий 10-13 Агар-агар 2-3 Полиакриламид 0,5-0,8 Глицерин Остальное

В результате такого исполнения электродного устройства собственные шумы снижены до нуля в широкой полосе частот.

Предложенное электродное устройство позволяет регистрировать сигналы биоэлектрической активности различных органов и тканей человека уровнем от единиц нановольт в расширенном диапазоне частот от постоянного тока до десятков килогерц в реальном времени без фильтров.

На фиг. 1 представлена конструкция электродного устройства для измерения биоэлектрических потенциалов.

На фиг. 2 представлена конструкция пористой алюмокремниевой оксидной керамической пластины.

На фиг. 3 показана внутренняя структура пористой алюмокремниевой оксидной керамической пластины до заполнения наночастицами серебра.

На фиг. 4-6 представлены результаты микроскопии пористой алюмокремниевой оксидной керамической пластины с оценкой размеров и формы наночастиц серебра.

На фиг. 7-9 показаны результаты микроскопии с оценкой массы наночастиц серебра на разных уровнях по толщине пористой алюмокремниевой оксидной керамической пластины толщиной 0,8 мм.

На фиг. 10 представлен пример результата анализа массы компонентов пористой алюмокремниевой оксидной керамической пластины с наночастицами серебра (Al, Si, O, Ag) в процентном отношении.

Электродное устройство для измерения биоэлектрических потенциалов (фиг. 1) содержит диэлектрический корпус 1, в котором расположен диэлектрический пористый контактный элемент 2 в виде многослойной конструкции, состоящей из не менее шестнадцати диэлектрических пористых алюмокремниевых оксидных керамических пластин одинакового диаметра D (фиг. 2) с размером сообщающихся пор 1-5 мкм (фиг. 3), которые заполнены наночастицами серебра по всей толщине пластины так, что масса наночастиц серебра в разных слоях каждой алюмокремниевой оксидной керамической пластины составляет 4,4-48,4 % по отношению к массе других компонентов состава, из которого изготовлена пластина. Наночастицы серебра выполнены сферической и эллипсоидальной формой диаметром 57-142 нм (фиг. 4), покрыты хлоридом серебра и пропитаны электролитом состава, мас. %:

Вода 31-35 Хлористый калий 10-13 Агар-агар 2-3 Полиакриламид 0,5 -0,8 Глицерин Остальное

Все пористые алюмокремниевые оксидные керамические пластины изготовлены методом литья с последующим отжигом, а затем с помощью серебросодержащей пасты соединены между собой путем припекания.

Верхняя и нижняя пористые алюмокремниевые оксидные керамические пластины выполнены высотой не более 1,5 мм.

На верхней пористой алюмокремниевой оксидной керамической пластине выполнено углубление сверху, в котором нанесен слой серебра 5. Слой серебра 5 через токоотводящий серебряный элемент 6 с помощью спая 7 электрически связан с проводником 8, который соединен с входом электрографического прибора.

Пористые алюмокремниевые оксидные керамические пластины, расположенные между верхней и нижней диэлектрическими пластинами, выполнены толщиной Н не более 0,8 мм и диаметром D не более 16 мм (фиг. 2).

Нижняя пористая алюмокремниевая оксидная пластина выполнена с выступом для установки в отверстии дна корпуса.

Герметик 9 с целью изоляции покрывает углубление, место спая 7 и поверхность верхней пористой алюмокремниевой оксидной пластины со стороны её нерабочей поверхности.

В качестве герметика 9 может быть использован силиконовый герметик.

Биопотенциал, возникающий на коже, прикладывается к поверхности рабочей части нижней пористой алюмокремниевой оксидной пластины и через соединенные между собой пористые алюмокремниевые оксидные пластины 3, верхнюю алюмокремниевую оксидную керамическую пластину к слою серебра 5, от которого - к токоотводящему серебряному элементу 6. Затем потенциал через токоотводящий серебряный элемент 6, спай 7, проводник 8 прикладывается к входу электрографического прибора.

Пористые алюмокремниевые оксидные керамические пластины с наночастицами серебра на этапе их изготовления для контроля качества поверхностной и внутренней структуры пористой исследовали с помощью растрового электронного микроскопа Quanta 200 3D. Сущность метода заключается в проведении визуального контроля образцов керамических пластин с наночастицами серебра на основе получения электронно-микроскопического изображения объекта во вторичных или отраженных электронах, возникающих при взаимодействии первичных ускоренных электронов с поверхностью образца. Контроль состояния предусматривает проведение рентгеновского микроанализа для выявления элементного состава исследуемой конструкции. Такую задачу можно решить, если имеется возможность сделать поперечный разрез исследуемого образца, в процессе наблюдения его в растровом электронном микроскопе. Система с электронным и сфокусированным ионным пучками Quanta 200 3D дает возможность проводить эту работу в едином цикле. То есть при одной загрузке образцов в рабочую камеру мы имеем возможность исследовать элементный состав материала и структуру (методом дифракции отраженных электронов, EBSD) внутренних элементов конструкции.

На фиг. 3 представлены результаты микроскопии поперечного сечения пористой алюмокремниевой оксидной керамической пластины без наночастиц серебра с оценкой рамеров пор.

Размеры пор изменяются 1-5 мкм.

На фиг. 4 представлены результаты микроскопии поперечного сечения пористой алюмокремниевой оксидной керамической пластины с представлением формы и размеров наночастиц серебра на глубине 40 мкм.

Форма – сферическая либо эллипсоидальная, размеры изменяются от 56,87 нм до 112,78 нм.

На фиг. 5 представлены результаты микроскопии поперечного сечения пористой алюмокремниевой оксидной керамической пластины с представлением формы и размеров наночастиц серебра на глубине 20 мкм.

Форма – сферическая либо эллипсоидальная, размеры изменяются от 63,14 нм до 84,99 нм.

На фиг. 6 представлены результаты микроскопии поперечного сечения пористой алюмокремниевой оксидной керамической пластины с представлением формы и размеров наночастиц серебра на глубине 60 мкм.

Форма – сферическая либо эллипсоидальная, размеры изменяются от 77,01 нм до 141,60 нм.

На фиг. 7 представлен процентный состав наночастиц серебра к общей массе других компонентов пористой алюмокремниевой оксидной керамической пластины со стороны верхней поверхности на глубине от 360 мкм до 480 мкм, процентный состав в зависимости от позиции места исследования равен: 10–12,59 %, 11–8,70 %, 12–7,27 %, 13–7,82 %, 14–6,38 %, 15–4,45 %, 16–5,91 %, 17–7,61 %.

На фиг. 8 представлен процентный состав наночастиц серебра к общей массе других компонентов пористой алюмокремниевой оксидной керамической пластины со стороны её верхней поверхности на глубине от 600 мкм до 720 мкм, процентный состав в зависимости от позиции места исследования равен:18–12,11 %, 19–14,03 %, 20–20,44 %

На фиг. 9 представлен процентный состав наночастиц серебра к общей массе других компонентов пористой алюмокремниевой оксидной керамической пластины со стороны её верхней поверхности на глубине от 70 мкм до 190 мкм, процентный состав в зависимости от позиции места исследования равен: 21–18,50 %, 22–37,36 %, 23–48,41 %, 24–13,74 %, 25–15,08 %, 26–35,30 %, 27–9,82 %, 28–17,15 %, 29–35,99 %, 30–19,66 %, 31–16,84 %, 32–14,11 %, 33–18,95 %.

На фиг. 10 представлен пример результата анализа массы компонентов пористой алюмокремниевой оксидной керамической пластины с наночастицами серебра (Al, Si, O, Ag) в процентном отношении: алюминий – 48,97 % 4; кремний – 3,46 %; кислород – 32,46 %; серебро – 15,12 %.

Исследование собственного шума электродного устройства проводили на установке для проверки хлор-серебряных электродов автоматизированной УПЭ-2, сертификат об утверждении типа средств измерений RU.E.31.113.A № 33700, зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под № 39325-08.

Для сравнения были проведены экспериментальные исследования энергии 10 электродных ячеек:

ЭЯ - пара электродных устройств, выполненных из 16 пористых алюмокремниевых оксидных керамических пластин, состоящая из системы электродное устройство - электролит - электродное устройство;

Экспериментальные исследования энергий шумов проводили на установке для проверки хлор-серебряных электродов автоматизированной УПЭ-2: первое измерение - на вход установки подключали электродную ячейку, второе измерение проводили при закороченным входе. Энергию шума вычисляли специальной программой, которая является частью программного обеспечения установки. Энергию шума измеряли в диапазоне частот: от 0,01 Гц до 500 Гц в течение 20 минут с частотой дискретизации 1000 Гц и в диапазоне частот от 1 Гц до 10000Гц в течение 100 с, частота дискретизации 60000 Гц.

Энергию шума измеряли на 10 парах электродных ячеек, причем для каждой пары эксперименты повторяли по 10 раз, энергию шума при коротком замыкании измеряли 30 раз. В результате были получены максимальные значения энергии шума при первом измерении для электродных ячеек и минимальные значения энергии шума при закороченном входе установки УПЭ-2 при втором измерении.

Результаты измерения энергий:

1. При подключении электродной ячейки к УПЭ-2, первое измерение, энергия шума в диапазоне частот 0,01 – 500 Гц равна 1123,64022119 мкВ²×Гц; при коротком замыкании, второе измерение, энергия шума равна 1125,36427056 мкВ²×Гц ;

2. При подключении электродной ячейки к УПЭ-2, первое измерение, энергия шума в диапазоне частот 1 – 10000 Гц равна 66,268199348 мкВ²×Гц; при коротком замыкании, второе измерение, энергия шума равна 68,6944266928 мкВ²×Гц.

В результате проведенных измерений получен следующий результат: электродная ячейка ЭЯ, выполненная из пористых алюмокремниевых оксидных керамических пластин, в диапазонах частот от 0,01 Гц до 500 Гц и от 1 Гц до 10000 Гц имеет энергию шума ниже чем при коротком замыкании входа измерительной установки, то есть собственные шумы электродной ячейки равны нулю.

При данной массе наночастиц в 16 пористых алюмокремниевых оксидных керамических пластинах, в которых каждая наночастица, покрытая хлористым серебром, является хлор-серебряным наноэлектродом, достигнут эффект обнуления собственных случайных шумов электродного устройства по формуле:

,

где А – амплитуда шума электродного устройства;

n – количество наночастиц (наноэлектродов);

– собственный шум отдельного наноэлектрода.

Данные электродные устройства позволяют регистрировать биопотенциалы уровнем от единиц нановольт в отличие от прототипа, уровень собственного шума которого достигал ± 200 нВ, что определило нижний уровень регистрируемых биопотенциалов от ± 300 нВ.

Изобретение относится к медицинской технике. Электродное устройство для измерения биоэлектрических потенциалов содержит диэлектрический пористый контактный элемент, расположенный в диэлектрическом корпусе. Контактный элемент содержит не менее шестнадцати диэлектрических пористых пластин одинакового диаметра. Поры пластин заполнены наночастицами серебра и пропитаны электролитом. Пластины электрически соединены между собой серебросодержащей пастой путем припекания. На нерабочей стороне верхней пластины выполнено углубление с нанесенным слоем серебра, который через токоотводящий серебряный элемент электрически связан с проводником для подключения ко входу электрографического прибора. На нерабочую сторону контактного элемента нанесен герметик. Нижняя пластина выполнена с выступом для установки в отверстии дна корпуса. Пластины между верхней и нижней пластинами выполнены толщиной не более 0,8 мм. Верхняя и нижняя пластины выполнены высотой не более 1,5 мм. Пластины контактного элемента выполнены алюмокремниевыми оксидными керамическими с размером сообщающихся пор 1-5 мкм. Поры пластин заполнены наночастицами серебра по всей толщине пластины так, что их масса в разных слоях каждой пластины составляет 4,4-48,4 % по отношению к общей массе остальных компонентов состава, из которого изготовлена пластина. Наночастицы серебра выполнены сферической и эллипсоидальной формой диаметром 57-142 нм. Достигается снижение уровня собственных шумов электродного устройства до нуля для регистрации сигналов биоэлектрической активности различных органов и тканей человека от единиц нановольт. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Электродное устройство для измерения биоэлектрических потенциалов, содержащее диэлектрический корпус, в котором расположен диэлектрический пористый контактный элемент, состоящий из диэлектрических пористых пластин одинакового диаметра, объем пор которых заполнен наночастицами серебра, покрытыми хлоридом серебра, и пропитан электролитом, пластины электрически соединены между собой серебросодержащей пастой путем припекания, на нерабочей стороне верхней пористой диэлектрической пластины контактного элемента выполнено углубление, в котором нанесен слой серебра, который через токоотводящий серебряный элемент с помощью спая электрически связан с проводником, подключенным ко входу электрографического прибора, на нерабочую сторону контактного элемента нанесен герметик, покрывающий углубление и место спая, нижняя диэлектрическая пластина выполнена с выступом для установки в отверстии дна корпуса, диэлектрические пластины, расположенные между верхней и нижней диэлектрическими пластинами, выполнены толщиной не более 0,8 мм, верхняя и нижняя пористые диэлектрические пластины выполнены высотой не более 1,5 мм, отличающееся тем, что диэлектрический пористый контактный элемент состоит из не менее шестнадцати диэлектрических пористых алюмокремниевых оксидных керамических пластин с размером сообщающихся пор 1-5 мкм, которые заполнены наночастицами серебра, покрытыми хлоридом серебра, по всей толщине пластины так, что их масса в разных слоях каждой алюмокремниевой оксидной керамической пластины составляет 4,4-48,4 % по отношению к общей массе остальных компонентов состава, из которого изготовлена пластина, причем наночастицы серебра выполнены сферической и эллипсоидальной формой диаметром 57-142 нм.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве электролита выбран состав, мас. %:

Вода 31-35

Хлористый калий 10-13

Агар-агар 2-3

Полиакриламид 0,5-0,8

Глицерин Остальное.