Устройство для измерения токов через клеточную мембрану Советский патент 1988 года по МПК A61B5/04 

KH

о:

V

-:, i

pii

инта iinpeSfl

-j a

. 3W«

н

к

ffpi/

JifXffff

pii

инта iinpeSfltHut

LnVl

- S -1л to

ел

00

n

16

.знак

fr5

20 21

fi

ftf

-(ИРв

мембране задается цифровым кодомs который подается на один из входов комбинационного сумматора 8. Подается напряжение на мембрану с помощью микроэлектрода 2, соединенного с выходом сумматора 11. Заряд мембраны осуществляется путем подключения к

1405814

ней на определенное время с помощью ключевых элементов 14 и 15 напряжений от источников питания, к второму входу сумматора 11. Напряжение на мембране можно изменять по заданному закону путем соответствующего изменения кодов на шине управления.

Изобретение позволяет осуществлять измерение токов, протекающих через клетвчную мембрану при фиксированных напряжениях, и может быть исЯзя I пользовано в медицинских и физиологических исследованиях. Используют цифровую систему стабилизации напряжения на мембране с форсированным зарядом емкости мембраны от источника высокого напряжения, что позволяет повысить быстродействие устройства Устройство содержит последовательно соединенные предварительный усилитель 6, АЦП 7, комбинационный сумматор, регистр сдвига, ЦАП и сумматор 8, а также генератор 12 импульсов, преобразователь 16 код - временной интервал, инвертор 19, два элемента И 17 и 18, два ключевых элемента 14 и 15, два источника питания 20 и 21 :И измеритель 4 тока с индикатором 5. Напряжение мембраны снимается микроэлектродом 1, соединенным с входом усилителя 6, величина напряжения на i (Л

Изобретение относится к медицине и медицинской технике и может быть использовано в автоматизированных системах .для исследования биологических клеток.

Целью изобретения является повы- тенне быстродействия.

На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства.

З стройство для измерения токов через клеточную мембрану содержит микроэлектроды 1 и 2, общий электрод 3, измеритель ,4 -тока, индикатор 5, предварительный усилитель 6, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7,.п-раз- рядный комбинационный сум 1атор 8,, (п+га)-разрядный регистр 9 сдвигадЦиф- роаналоговьш преобразователь (ЦАП) 10, аналоговьш сумматор 11, генератор 12 импульсов5 шину 13 управления, ключевые элементы 1 4 и 15, преобразователь 16 код - временной интервал (ПКВ), элементы 17 и 18 И, инвертор 19 и источники 20 и 21 питания.

. Устройство работает следующим образом

,Предварительный усилитель 6 с большим входным сопротивлением и малым уровнем собственных шумов обеспечивает через микроэлектрод 2 отведение потенциала клеточной мембраны. Входное сопротивление измерителя 4 тока мало (не более 100 Ом), что позволяет пренебречь им в сравнении с сопротивлениями .электродов и мембраны. Преобразование выходного напряжения усилителя 6 в цифровую форму осуществляется при помощи АЦП 7. Абсолютная погрешность, возникающая при дискретизации аналогового сигнала, в данном случае напряжения, не npq.- вышает половины значения кванта или

шага дискретизации.,Значение кванта в единицах преобразуемой величины (ли) составляет вес единицы младшего разряда АЦП. Количество разрядов АЦП определяется из выражения:

2идлакс I т п

----- 2 ,

(1)

где .- максимальное значение напряжения (положительной и отрицательной полярностей на выходе усилителя 6/, п - количество разрядов. .

Комбинационньш сзшматор 8 производит сложение двух п-разрядных параллельных двоичных кодов. Для выполнения с помощью сумматора операции вычитания необходимо взять значение

вычитаемой величины в дополнительном коде. Поэтому на сумматор 8 с выхода АЦП поступает дополнительный код. Разность двух величин: опорного напряжения, задаваемого п-разрядным кодом, и напряжения с выхода усилителя 6 (равного напряжению на мембране) поступает на информационные входы регистра 9 сдвига в виде двоичного кода. Генератор 12 выполняет функцию I.

синхронизатора, задавая частоту повторения операции преобразования в АЦП 7 и необходимую -задержку стро- бирующего сигнала на входе регистра 9 относительно сигнала выборки АЦП,

При необходимости изменения коэффициента передачи устройства двоичный код, .записанный в регистре 9, умножают или делят на некоторое число 2 , где m - число разрядов, на которое будет сдвинуто вправо или влево исходное двоичное число в регистре 9. Цри длине кода бП ЦАП 10 формирует

314

пропорциональное этому коду напряжение, которое через аналоговый сумматор 11 и микроэлектрод 1 поступает в биологическую клетку. Если длина кода в регистре 9 превышает п разрядов, включается преобразователь 16 код - временной интервал, форъшрую- щий; на своем выходе импульс с длительностью, пропорциональной коду на входе ПКВ 16. Импульс с выхода ПКВ поступает через один из двух элементов 17, 18 и на вход управления ключевыми элементами 14 и 15, открывая один из них. Напряжение 100 В от ис- точника 20 или 21 со знаком + или - поступает через открытый ключево элемент 14 или 15, сумматор 11 и микроэлектрод 1 на клетку. После заряда емкости мембраны уменьшается величи- на двоичного кода в регистре 9, соответствующая .разности между опорным напряжением и напряжением на мембран клетки, что приводит к выключению ПКВ 16 и ключевого элемента 14 или 1

Таким образом, на время действия переходного процесса, связанного с зарядом емкости мембраны и заканчивающегося установлением напряжения на мембране равного опорному, на мем брану с выхода устройства поступает высокое напряжение (до 100 Б). При этом обеспечивается формированный режим быстрого заряда емкости мембраны.

Коэффициент передачи К,, устройства в статистическом режиме определяет точность стабилизации напряжения на мембране и может быть найден из выражения

К -2s-- ди

(2)

где Qy - значение единицы младшего

разряда ЦАП;

ли - значение единицы мледшего разряда АЦП.

Структура устройства обеспечива- е т оперативное управление величиной коэффициента передачи устройства, а цифровое кодовое управление, осуществляемое по шине 13, позволяет формировать на мембране клетки напряжение любой формы в широком частотном диапазоне.

Таким образом, в устройстве обеспечивает автоматическое поддержание заданного в цифровом коде на шине 13 управления напряжения на мембране,

44

а повьш1ение быстродействия ется форсированным зарядом мембраны.

1

Формула изобре

Устройство для измерения токов через клеточную мембрану, содержащее два микроэлектрода и общий электрод, предварительный усилитель, вход которого соединен с первым микроэлектродом, аналого-цифровой преобразователь, аналоговый вход которого подключен к выходу предварительного усилителя, генератор импульсов, первый выход которого подключен к входу управления аналого-цифрового .преобразователя, последовательно соединенные измеритель тока, вход которого соединен с общим электродом, и инди- катор и цифроаналоговый преобразователь, отличающ.ееся тем что, с, целью повышения быстродействия, в него дополнительно введены п-разрядный комбинационный сумматор, преобразователь код - вргеменной интервал, аналоговый сумматор, инвертор, два элемента И, первый и второй источник питания, подключенные соответственно через первьй и второй ключевые элементы к второму входу аналогового сумматора, и (n+m)-разрядный регистр сдвига, (п+1) параллельных информационных входов которого подключены к соответствующим выходам комбинационного-сумматора, первые п входов которого соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя, а вторые п входов комбинационного сумматора подключены к кодовым шинам управления, параллельный (п+1)-разрядный выход регистра сдвига подключен к соответствующим входам цифроаналоговогр преобразователя, а остальные (т-1) разряды регистра соединены с соответствующи-: ми входами преобразователи код - временной интервал, выход которого соединен с первыми входами первого и второго элементов И, выходы которых, в свою очередь, подключены к входам управления первого и второго ключевых элементов соответственно, при этом второй вход первого элемента И подключен к выходу Знак аналого- цифрового преобразователя непосредст венно, а второй вход второго элемен5 ,. 14058146

та И через инвертор, второчи выход-сумматора, выход которого соединен

генератора импульсов соединен с пер-с вторым микроэл Ктродом, вход Знак

вым входом управления регистра сдвига,цифроаналогового преобразователя под второй вход управления которого под- ключен к выходу Знак аналого-цифключен к соответствующей шине, выходрового преобразователя, выход котороцифроаналогового преобразователя под-го является одновременно цифровьгм

ключен к первому входу аналоговоговходом устройства.