Способ определения составляющих импеданса биологического объекта и устройство для его осуществления Советский патент 1988 года по МПК A61B5/53 A61B5/05 

со

CD

О

4

asufoi J

Фи.1

1139

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к способам и устройствам для исследования импе- дансных свойств биологических объек- тов.

Цель изобретения - повышение точности.

На фиг, 1 представлена структурная электрическая схема устройства; на фиг. 2 и 3 - эпюры сигналов, поясняющие работу устройства.

Способ определения составляющих импеданса биологического объекта заключается в подаче на биообъект им- пульса стабилизированного тока, из- меренрш напряжения на биообъекте в фиксированные два момента времени после начала импульса тока, и определении активной и реактивной составля ющих импеданса биообъекта по измеренным значениям напряжения, причем измерения напряжения на биообъекте проводят в моменты перехода сетевого напряжения через нулевое значе ше, и после второго измерения подают на биообъект импульс тока противоположной полярности, равный по длительности первому импульсу.

Устройство для определения состав- ляющих импеданса биологического объекта содержит (фиг. 1) генератор 1 им пульсов, первый элемент 2 задержки, . первьй триггер 3, первый блок 4 индикации и управляемый источник 5 то- ка, выход которого подключен к шине электродов, последовательно соединенные блок 6 фиксации нулевого уровня, вход которого подключен к шине сетевого напряжения, первый элемент И 7, счетчик с дешифратором ,первый формирователь 9 импульсов, второй триггер 10, второй элемент И 11, второй вход которого соединен с выходом генератора 1 импульсов, реверсивный счетчик 12, второй формирователь 13 импульсов, третий элемент И 14, третий триггер 15, четвертый элемент И 16 и первый регистр 17, выход которого подключен к входу первого блока 4 индикации и к первой выходной шине устройства, последовательно соединенные третий формирователь 18 импуль сов, первый элемент ИЛИ 1-9, четвертый формирователь 20 импульсов, ана лого-цифровой преобразователь (АИД)

21, второй регистр 22 и второй блок 23 индикации, вход которого подключен к второй выходной шине устройстна, последовательно соединенные пятый формирователь 24 импульсов, шестой формирователь 25 импульсов, четвертый триггер 26 и пятьй элемент И 27, выход которого подключен к второму входу второго регистра 22, а второй вход - к второму входу четвертого элемента И 16 к второму вы-; -- ходу АЦП 21, первый выход которого соединен с вторым входом первого регистра 17, последовательно соединенные седьмой формирователь 28 импульсов и второй элемент ИЛИ 29, второй вход которого подключен к входу шестого формирователя 25 импульсов и к второму входу первого элемента ИЛИ 19, а выход - к второму входу реверсивного счетчика 12, третий вход которого соединен с вторым входом третьего элемента И 14 и с входом первого формирователя 9 импульсов, последовательно соедд ненные блок 30 начального сброса, вход которого подклю чен к шине питания, .и пятый триггер 315 вькод которого соединен с вторым

5 0 5

30 с..

Ш

5

5

входом первого элемента И 7, второй вход - с первыми входами первого эле- мента И 7 и первого триггера 3, тре тий вход - с выходом первого триггера 3 и с входом седьмого формирователя 28 импульсов, а четвертьй вход - с вторыми входами первого триггера 3 и счетчика с дешифратором 8, второй выход которого подключен к входу третьего формирователя 18 импульсов, третий выход -.к входу пятого формирователя 24 импульсов, а четвертый выход - к входу первого элемента 2 задержки, выход которого соединен с вторым входом второго триггера 10, третий вход которого подключен к первому входу третьего триггера 15, коммутатор 32, первый вход которого подключен к вькоду третьего триггера 15, второй вход - к выходу четвертого триггера 26, третий вход - к первой шине опорного напряжения, четвертый вход - к второй шине опорного напряжения, а выход - к входу управляемого источника 5 тока, второй элемент. 33 задержки, вход и выход которого соединены соответственно с пятым выходом и вторым входом счетчика с дешифратором 8, третий вход котгоро- го подключен к первому входу пятого триггера 31, к третьему входу первого триггера 3 и к второму входу АЦП 21s задатчик 34 кода, подключенньй

к четвертому входу реверсивного счетчика 12, второй выход которого соединен с четвертым входом второго триггера 10 и с вторым входом четвер- . того триггера 26, первый вход которого соединен с вторым входом третьего триггера 15, и элемент 35 выборки и хранения, первый вход которого подключен к входу четвертого формирова- Q тепя 20 импульсов, второй вход - к выходу управляемого источника 5 тока, а выход - к третьему входу АЦП 2I.

Способ осуществляют следующим образом.J5

На биообъект подается через электроды импульс стабилизированного тока определенной полярности (например, положительной) и амплитудой I,, .Вследствие емкостного характера реактив- 20 ной составляющей импеданса биообъекта происходит переходной процесс нарастания напряжения на биообъекте, которое измеряется в фиксированньш два момента времени t, и t . после на-25 чала импульса тока, получая соответственно значения напряжения U и U. Измерение в момент времени t производится, когда емкость тканей биообъекта заряжена полностью и переходной процесс закончился.

С целью устранения влияния сетевой помехи измерения напряжения на биообъекте проводятся в моменты перехода сетевого напряжения через ну- левой уровень (рт отрицательного значения к положительному),.Для зто- го импульс тока подается на биообъект за интервал времени t до момента перехода сетевого напряжения через ноль, равньй, например, 1 мс, а величина устанавливается равной периоду сетевого напряжения, например, 20 мс (при частоте сети 50 Гц). Величина стабилизированного тока 1 выбирается такой, чтобы за время действия импульса тока произошел полный заряд емкости тканей биообъекта. Тогда напряжение на биообъекте пропорционально величине активной составляющей импеданса биообъекта.

Активное сопротивление R биообъекта определяется по формуле (при параллельной схеме замещения биообъекта)

30

35

40

45

50

и R-

- 17 . . .

напряжение на биообъекте в момент времени t /j.

. Q

J5

0 5

0

5

0

5

0

5

Эквивалентная емкость С тканей био- объекта вычисляется с помощью выражения

f - - l)t

о; .

где Ц - напряжение на биообъекте в момент времени t,.

При этом предполагается, что отсчет времени ведется от переднего фронта импульса тока 1.

После второго измерения напряже- . ния в момент времени t формируется задний фронт импульса тока, и на биообъект подается второй импульс тока противоположной (например, отрицатель- ньй) полярности, равный по длительности первому импульсу, что позволяет устранить влияние поляризации тканей биообъекта на результат определения величин R и С в следующем цикле измерения.

Устройство работает следующим образом.

При включении напряжения питания +Е устройства блок 30 начального сброса формирует импульс (фиг, 2а) ,который производит сброс первого триггера 3 (триггера начала работы))(фиг.2г), пятого триггера 31 (триггера синхронизации с сетевым напряжением), счетчика с дещифратором 8 (фиг. 2е) и АЦП 21. Блок 6 фиксации нулевого уровня по поступающему на его вход сетевому напряжению (фиг. 2б) формирует импульсы (фиго 2в) в моменты перехода сетевым напряжением нулевого уровня (от отрицательных значений к поло- .жительным значениям напряжения сети). Первый импульс с выхода блока 6 фиксации нулевого уровня переводит в едиьшчное состояние первый триггер 3 (фкг. 2т и пятый триггер 31, что обеспечивает прохождение импульсов через первый элемент И 7 на первый (тактовый) вход счетчика с дешифратором 8 (фиг. 2д).

По сигналу с выхода первого триггера 3 седьмой формирователь 28 импульсов формирует импульс (фиг. 2з), который проходит второй элемент ИЛИ 29 и разрещает занесение кода досче- та из задатчика 34 кода в реверсивньй- счетчик 12 по его второму входу (фиг. 2о).

Код досчета задает интервал времени t от начала первого стабилизированного импульса тока (например,

положительной полярности), подаваемого на биообъект, до момента первого измерения напряжения U, на биообъекте. Если задание интервалов времени в устройстве производится с точностью до одной микросекунды (частота .генератора 1 импульсов 1 МГц), при мс в реверсивный счетчик 12 заносится код 1000. Сигнал с перво- го выхода счетчика с дешифратором 8 (фиг. 2ж) устанавливает реверсивный счетчик 12 по его третьему входу в режим сложения. Выходной импульс первого формирователя 9 импульсов (фиг. 2и) переводит второй триггер 10 (триггера досчета) в такое состояние Офиг. 2п), при котором разрешается прохождение тактовых импульсов с выхода генератора 1 импуль- сов через второй элемент И 11 на первый (тактовый) вход реверсивного счетчика 12,

Реверсивный счетчик 12 досчитывает в режиме сложения занесенньга в него код досчета до кода, эквивалентного периоду сетевого напряжения. При частоте сети 50 Гц и частоте тактовых импульсов 1 МГц реверсивный счетчик 12 досчитывает до значения Q 20000, т.е. в данном случае отсчитывается 19000 импульсов, что соответствует интервалу времени 19 мс от момента перехода сетевым напряжением нулевого уровня. Так как выходной сигнал реверсивного счетчика 12 через второй формирователь 13 импульсов, третий элемент И 14, третий триггер 15 (триггер первого импульса тока) (фиг, 2т) и коммутатор 32 вы- зывает срабатывание управляемого источника 5.tOKH и подачу стабилизированного импульса тока на биообъект (фиг, 2ф), то тем обеспечивается проведение первого измерения на- пряжения и на биообъекте через интервал времени мс в Момент еледующего перехода нуля сетевым напряжением.

Выходной сигнал реверсивного счетчика 12 также производит сброс второго триггера.10, что прекращает поступление тактовых импульсов в реверсивный счетчик 12. .

По сигналу с второго выхода счетчика с дешифратором 8 третий формиро- ватель 18 импульсов вырабатывает импульс (фиг. 2к), который через первый элемент И.Т1И 19 производит запись

5 О Q с

5

{фиг. 2х) в момент времени t аналогового значения напряжения U на биообъекте в элемент 35 выборки и хранения. Импульс с выхода четвертого формирователя 20 импульсов (фиг. 2ц) запускает АЦП 21, который преобразует значение U в цифровую форму. Сигнал Конец измерения с второго выхода АЦП 21 (фиг. 2ч) через четвертый элемент И 16 осуществляет занесение кода и в первый регистр 17 и в первый блок 4 индикации (фиг, 2ш). Код U, поступает также на первую выходную шину устройства.

Сигнал с выхода пятого формирователя 24 импульсов через первый элемент ИЛИ 19 производит запись в момент времени t аналогового значения напряжения U на биообъекте, пропорционального активной составляющей его импеданса, в элемент 35 выборки и хранения, а по второму импульсу с выхода четвертого формирователя 20 импульсов запускается АЦП 2 с последующей подачей кода напряжения и во второй регистр 22 (фиг, 2щ), во второй блок 23 индикации и на вторую выходную шину устройства Коды U., и и с первой и второй выходных шин устройства поступают во внешний вычислительный блок для вычисления активной и емкостной сос авляю- щих импеданса биообъекта по приведенным формулам.

Временная диаграмма работы устройства (фиг, 3) приведена в момент t,j второй записи напряжения на биообъекте в элемент 35. выборки и хранения и формирования второго импульса стабилизированного тока через биообъект (противоположной полярности, например, отрицательной). По заднему фронту выходного импульса пятого формирователя 24 импульсов (фиг, Зв) шестой формирователь 25 импульсов вырабатывает короткий импульс (фиг,3г), сбрасывающий третий триггер 15 (фиг, Зб) и устанавливаюш 1й четвертый триггер 26 (триггер второго импульса тока, противоположной полярности) в единичное состояние (фиг,2у, Зд), Выходной сигнал четвертого триггера 26 через коммутатор 32 и управляемый источник 5 тока осуществляет подачу на биообъект второго ш шульса тока, противоположной полярности (фиг. 2ф). Четвертый формирователь 20 импульсов обеспечивает

задержку сигнала запуска АЦП 21 (фиг. Зи) по отношению к сигналу записи в элемент 35 выборки и хранения (фиг. Зв).

Равенство длительностей второго (например, отрицательного) импульса тока через биообъект и первого (например, положительного) импульса тока через биообъект обеспечивается на втором этапе работы реверсивного счетчика 12 и второго триггера 10. Дпя этого сигнал с выхода пятого формирователя 24 импульсов через второй элемент ИЛИ 29 также подается на второй вход реверсивного счетчика 12 (фиг. 2о) и разрешает занесение в него кода досчета с задатчика 34 кода. После пропускания через биообъект отрицательного импульса тока в тече- кие одного периода сетевого напряжения (фиг. 2ф) сигнал с четвертого выхода счетчика с дешифратором 8 через первый элемент 2 задержки (фиг.2м устанавливает второй триггер 10 в единичное состояние (фиг. 2п), что разрешает прохождение тактовых импульсов от генератора 1 импульсов на первый вход реверсивного счетчика 13, который работает на вычитание до об- нуления в течение интервала времени t,. При мс и тактовой частоте МГц реверсивный счетчик 12 производит отсчет 1000 импульсов (код досчета) от 1000 до нуля, после чего импульс переполнения Р со второго выхода реверсивного счетчика 12 сбрасывает второй триггер 10 и четвертьй триггер 26, формируя тем самым задний

фронт отрицательного импульса тока

через биообъект (фиг. 2ф), длительность которого равна длительности первого (положительного) импульса тока через биообъект. Первый элемент 2 задержки также обеспечивает вьфавн вание длительностей положительного и отрицательного импульсов тока через биообъект, так как создаваемая : им задержка равна удвоенному времени работы пятого формирователя, 24 импульсов (фиг. Зв, е).

Сигнал с пятого выхода счетчика с дешифратором 8 через второй элемент 33 задержки (фиг. 2н) производит сброс первого триггера 3, пятого триггера 31 и счетчика с дешифрато- ром 8, Элемент 33 задержки обеспечивает разнесение во в ремени сигналов сброса и установки в единичное состоя

r 20 5 о

5

0

5

0

ние первого триггера 3 и подачи (HI- налов на входы с пятого триггера 31 и счетчика с дешифратором 8. щим импульсом с выхода блока 6 фиксации нулевого уровня первый триггер 3 устанавливается в единичное состояние и начинается новый цикл определения активной и реактивной составляющих импеданса биообъекта.

Таким образом, устройство позволяет определять значения составляющих импеданса биологических тканей в импульсном режиме с повышенной точностью благодаря устранению влияния сетевых помех и поляризации тканей на процесс измерения параметров биообъекта.

Формула изобретения

1.Способ определения составляющих импеданса биологического, объекта, заключающийся в подаче на биообъект импульса стабилизированного тока, измерении напряжения на биообъекте в фиксированные два момента времени после начала импульса тока, и определении активной и реактивной составляющих импеданса биообъекта по измеренным значениям напряжения, о т- личающийся тем, что, с целью повышения точности измерения напряжения на биообъекте проводят в моменты перехода сетевого напряжения через нулевое значение, и после второго измерения подают на биообъект импульс тока противоположной полярности, равный по длительности первому импульсу.

2.Устройство для определения составляющих импеданса биологического объекта, содержащее генератор импульсов, первьй элемент задержки, первый триггер, первый блок индика- 1ЩИ и управляемьй источник тока, выход которого подключен к шине электродов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в него введены последовательно соединенные блок фиксации нулевого уровня, вход которого подключен к шине сетевого напряжения, первый элемент И, счетчик с дешифратором, первый формирователь импульсов, второй триггер, второй элемент И, второй вход которого, соединен с выходом генератора импульсов, реверсивный счетчик, второй формирователь и myльcoв, тре

9 13

тий элемент И, третий триггер, четвертый элемент И и первый регистр, выход которого подключен к входу первого блока индикации и к первой выходной шине устройства, последовательно соединен1 ые третий формирователь импульсов, первый элемент ИЛИ, четвертьй формирователь импульсов, аналого-цифровой преобразователь, второй регистр и второй блок индикации, вход которого подключен к второй выходной шине устройства, последовательно соединенные пятый формирователь импульсов,шестой формирователь им пульсов,четвертый триггер и пятый элемент И, выход которого подключен к BtopoMy входу второго регистра, а второй вход - к второму входу четвертого элемента И и к второму выходу аналого-цифрового преобразователя, первый выход которого соединен с вто рым входом первого регистра, последовательно соединенные седьмой формирователь импульсов я второй элемент ИЛИ, второй вход которого подключен к входу шестого формирователя импульсов и R второму входу первого элемента ИШ-, а выход - к второму входу реверсивного счетчика, третий вход которого соединен с вторым входом -третьего элемента И и с входом первого формирователя импульсов, последовательно соединенные блок начального сброса, вход которого подключен к шине питания, и пятьй триггер, выход которого соединен с вторым входом первого элемента И, вто- - рой вход - с первыми входами первого, элемента И и первого триггера, третий вход - с выходом первого триггера и с входом седьмого формирова

0

5

7024

-„ .

5

30

35

10

теля импульсов, а четвертый вход - с вторыми входами первого триггера и счетчика с дешифратором, второй выход которого подключен к входу третьего формирователя импульсов, третий выход - к входу пятого формирователя импульсов, а четвертый выход- к входу первого элемента задержки, выход которого соединен с вторым входом второго триггера, третий вход которого подключен к первому входу третьего триггера, коммутатор, первый вход которого подключен к выходу третьего триггера, второй вход - к выходу четвертого триггера, третий вход - к первой шине опорного напряжения, четвертый вход - к второй шине опорного напряжения, а выход - к входу управляемого источника тока, второй элемент задержки, вход и выход которого соединены соответственно с пятым выходом и вторым входом счетчика с дешифратором, третий вход которого подключен к первому входу пятого триггера, к третьему входу первого триггера и к второму входу аналого-цифрового преобразователя, задатчик кода, подключенньй к четвертому входу реверсивного счетчика, второй выход которого соединен с четвертым входом второго триггера и с вторым входом четвертого триггера, первый вход которого соединен с вторым входом третьего триггера, и элемент выборки и хранения, первый вход которого подключен к входу четвертого формирователя импульсов, второй вход - к выходу управляемого источника тока а выход - к третьему входу аналого-цифрового преобразователя.

ж

и

л м н о п

р

с т И Ф

X

и у

Uf

щ

tj iz Фиг. 2

а

Сеть 50Г(4

Изобретеш е состоит в определении активной и реактивной составляющих, импеданса по напряжению, измеряемому на биообъекте. С целью повышения точности измерений их проводит в моменты перехода сетевого напряжения через нулевое значение и после второго измерения подают на биообъект импульс тока противоположной полярности, равный по длительности первому импульсу. Устройство для реализации способа содержит генератор 1 импульсов, элементы 2, 33 задержки, триггеры 3, 10, 15, 26, 31, блоки 4, 23 Индикации, управляемьй источник 5 тока, электроды, блок 6 фиксации нулевого уровня, элементы И 7, 11, 14, 16,.27, счетчик с дешифратором 8, формирователи 9, 13, 18, 20, 24, 25, 28 импульсов, реверсивньй счетчик 12, регистры 17, 22, элементы РИШ 19, 29, аналого-цифровой преобразователь 21, блок 30 начального сброса, коммутатор 32, задатчик 34 кода, элемент 35 выборки-хранения. 2 с.п. ф-лы, 3 ил. i сл

и

ъ

г Фиг.З