Способ определения активной составляющей импеданса биологической ткани и устройство для его осуществления Советский патент 1990 года по МПК A61B5/53 A61B5/05 

Изобретение относится к медицине и может быть использовано в диагностических целях при исследовании биологических тканей, например кожного покрова или крови.

Целью изобретения является повышение точности определения активной составляющей импеданса биологической ткани.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для определения активной составляющей импеданса, биологической ткани;, на фиг. 2 - временные диграммы работы устройства.

Способ осуществляют следующим образом.

На электроды, установленные на сследуемом участке, подают измерительные прямоугольные импульсы тока поочередно изменяющейся полярности, авной амплитуды и длительности. Прием перед подачей измерительных импульсов на электроды подают положи-с тельный перепад тока и по изменению напряжения на электродах измеряют время установления ЭДС поляризации t9. лительность измерительных импульсов тока tu , подаваемых на электроды, устанавливают, исходя из условия Ј0,1 t,,

где tjj - длительность измерительных

импульсов тока;

t - время установления ЭДС поляризации.

При этом соотношение длительности измерительных импульсов тока к периоду их следования выбирают из диапазона 1(Г2-1(Г5.

Затем с электродов снимают импульсы напряжения с последующим вычислением активной составляющей импеданса биоткани.

При прохождении электрического то- ка через биоткань напряжение U на электродах определяется соотношением U 10R0 + Ес + ЕП7 (1)

При подаче тока на электродах возникает ЭДС поляризации, достигающая через время, меньшее 0,5 с установив- с шейся величины по экспоненциальному закону. Поэтому для определения времени нарастания поляризации t на электроды подают перепад тока, а на выходе усилителя, например с помощью

осциллографа, измеряют время, за которое ЭДС поляризации En(t) достигает 0,9 от установившегося значения ЭДС. Длительность измерительных токовых импульсов t4 выбирается, исходя

5 из условия tu 6 О, 1Ц, где t9 - время установления ЭДС поляризации. В данных пределах изменение ЭДС поляризации может быть аппроксимировано, например, линейным законом.

0 В этом случае при подаче на электроды импульса тока напряжение на электродах после начального перепада, вызванного падением напряжения на активной составляющей импеданса

5 биоткани, увеличивается линейно. Пренебрегая пока величиной собственной ЭДС электродов, напряжение на электродах равно

U Е0 + UEn.t,(2)

0 где ЕО- падение напряжения на активной составляющей импеданса биоткани; ЬЕ и - скорость нарастания ЭДС поляризации; t - время, прошедшее от начала измерительного импульса тока.

5 Тогда для двух моментов времени ti/ и t2 справедливы соотношения

U, Е0 + , Г«

Vi Е0 + AEn-t4J,(3)

0 где U , и U2 - значения напряжения на электродах в моменты времени t и t2

соответственно. Отсюда U,tu - Uzt

Ь п (4)

5 fc2 - t,

Если выбрать t 2t,, то Е0 2U Ua.(5)

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для диагностики при кондуктометрических измерениях биотканей IN VIVO и IN VITRO. Целью изобретения является повышение точности способа. Способ осуществляется за счет исключения влияния на результат измерения ЭДС поляризации. Предварительно подают на электроды положительный перепад тока и по изменению напряжения на электродах измеряют время установления ЭДС поляризации T_э, а длительность измерительных импульсов тока T_и, устанавливают исходя из условия 5 мсΤ_и≤0,1т_э, при этом соотношение длительности измерительных импульсов тока к периоду их следования выбирают из диапазона 10^-2-10^-5. Устройство для определения активной составляющей импеданса биологической ткани содержит кондуктометрическую ячейку с электродами, блок 8 вычисления, генератор 1 тактовых импульсов, генераторы 3,4 импульсов тока, подключенные через кондуктометрическую ячейку к усилителю, аналого-цифровой преобразователь 7 и блок 2 управления, вход которого соединен с генератором 1 тактовых импульсов, первый и второй выходы - с входами первого и второго генераторов импульсов тока, а третий и четвертый - с первым и вторым входами аналого-цифрового преобразователя 7, с третьим входом которого соединен выход усилителя 6, а с выходом - блок вычисления.

где 10 - амплитуда электрического тока; R0 активная составляющая импеданса биоткани; Е0 - собственная ЭДС электродов; Eh - ЭДС поляризации электродов.

Из соотношения (1) видно, что для точного вычисления активной составляющей импеданса биоткани R0 необходимо учитывать электродные потенциалы, возникающие в процессе измерения.,

Для нахождения падения напряжения на активной составляющей импеданса биоткани необходимо за время импульса тока измерить значение напряжения на электродах дважды и вычислить Е0 по формулам (4) или (5).

Для устранения ошибок, вызванных наличием собственной ЭДС электродов E-J. , которая ранее не учитывалась, следует из значения напряжения, вычиленного при прохождении положительного импульса тока Е , куда аддитивно входит Ес, вычесть значение напряжения, вычисленного при прохождении отрицательного импульса тока Е, куда также входит Ес ЕО - Е; (I0R0 + Ес) - ,(-I0R0 + + Ес) 2I0R0.- (6)

При таком вычислении устраняется вклад дрейфа элементов схемы в результат измерения.

Пример 1. Катетер с парой электродов (видимые размеры 0,02 У 0,75 мм, расстояние между электродами 0,03 мм) вводился непосредственно в аорту собаки, находящейся под тиопенталовым наркозом. Первоначально на электроды подавался перепад тока в 10 мкА, что отвечает требованиям электробезопасности оборудования, имеющего электрической контакт

с сердцем. Время tg установления ЭДС поляризации, измеренное по осциллографу составило 1 , длитель-ц измерительных импульсов тоность t,

ка установлена 10-10 с. На электроды подавались токовые импульсы указанной длительности с амплитудой 10 мкА поочередно изменяющейся полярности с частотой 100 Гц, т.е. соотношение между длительностью tu импульсов тока и периодом их следования составитовность данных аналого-цифрового

ло 10

гэ

Величина активной составляпреобразователя 7 соединен с вторым входом блока 2 управления.

Сигналы генератора 1 тактовых импульсов, задающего частоту следова- 30 ния импульсов тока, поступают на блок 2 управления, на выходах а и б которого формируются управляющие импульсы, обеспечивающие поочередное включение генераторов 3 и 4 импулъ- ющей импеданса крови собаки в резуль- 35 сов тока. Таким образом, на электротате измерения составила 4,74 поступают токовые импульсы одинаковой длительности поочередно изменяющейся полярности. С электродов сигнал (фиг, 2), содержащий информацию

величина активной составляющей импе- Q o проводимости измеряемой среды, че- данса крови на выходе устройства практически не изменилась и составляла 4,,02 ком.

Пример 2, Катетер с парой электродов (видимые размеры 0,07 140,8 мм, расстояние между электродами 0,15 мм) вводился в легочную артеПри изменениях соотношения 10

- 4vio 2

рез усилитель 6 поступает на аналоговый вход аналого-цифрового преобразователя 7. Начальный скачок напряжения ЕО обусловлен падением напря45 жения на сопротивлении участка биоткани между электродами. Возрастание амплитуды сигнала при прохождении импульса тока вызвано увеличением ЭДС электродной поляризации, скорость нарию собаки, измеренное так же, как и в примере 1 t9 составило . Длительность измерительных импульсов тока установлена 20-10 с. На электроды подавались импульсы тока указанной длительности с частотой следования 1.00 Гц поочередно изменяющейся

Соотношение tu/T соста- . Величина активной составляющей импеданса крови 4,96 ком

При изменениях соотношения 10 :

полярности, вило 2 1

10

78086

10 результат измерения практически не изменялся 4,,03 ком.

Устройство для определения активной составляющей импеданса биологической ткани содержит генератор 1 тактовых импульсов, блок 2 управления, генераторы 3 и 4 импульсов тока, кондукто- метрическую ячейку 5 с электродами, усилитель 6, аналого-цифровой преобразователь 7, блок 8 вычисления.

Устройство содержит генератор 1 тактовых импульсов, подключенный к блоку 2 управления, выходы а и б которого соединены с генераторами 3 и 4 им пульсов тока, подключенными к кондуктометрической ячейке 5, электроды которой через усилитель 6 соединены с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя 7, вход Запуск которого подключен к выходу блока 2 управления. Выход аналого- цифрового преобразователя 7 подключен к блоку 8 вычисления. Выход Го15

20

25

товность данных аналого-цифрового

o проводимости измеряемой среды, че-

рез усилитель 6 поступает на аналоговый вход аналого-цифрового преобразователя 7. Начальный скачок напряжения ЕО обусловлен падением напряжения на сопротивлении участка биоткани между электродами. Возрастание амплитуды сигнала при прохождении импульса тока вызвано увеличением ЭДС электродной поляризации, скорость нарастанин которой зависит от многих факторов: величина тока измерения, размеров поверхности измерительных электродов, химического состава измеряемой среды и т.д. Причем ЭДС поляриэации под действием тока растет по экспоненте, начальный участок которой линеен.

Для нахождения падения напряжения на измерительной ячейке под действи- ,

ем импульса тока на выходе блока 2 управления через промежутки времени tj и Ц (фиг. 2) от начала импуль сов тока вырабатываются короткие импульсы, поступающие на вход Запуск аналого-цифрового преобразователя 7, который преобразует значения напряжений U и Uг в цифровой код. На вход блока 8 вычисления в моменты времени t, и t4 с информационного выхода аналого-цифрового преобразователя 7 поступают числовые эквиваленты напряжевычисления по

рассчитывает д, на биоткани,

ний U, и U 2 (фиг.2). Ло окончании импульса тока в блоке соотношениям (4) или (5) ся падение напряжения Е а по соотношению (6) - разность падений напряжения на биоткани при прохождении предыдущего импульса тока (противоположной полярности), откуда активная составляющая импеданса биоткани R,

Ј°

V

Сразу после проведения необходимого количества преобразований аналого-цифровой преобразователь 7 автоматически отключается, что минимизирует электрическое воздействие на объект-.

Таким образом, способ определения активной составляющей импеданса биоткани и устройство для его осуществления позволяют повысить точность измерений за счет устранения влияния ЭДС поляризации электродов и дрейфа характеристик элементов устройства.

Формула изобретения

ти, снятия с электродов импульсов напряжения с последующим ее вычислением, отличающийся тем, что, с целью повышения точности способа, перед подачей измерительных импульсов на электроды подают положительный перепад тока и по изменению напряжения на электродах измеряют время установления ЭДС поляризации t, а длительность измерительных импульсов тока ty, подаваемых роды, устанавливают, исходя вия

15

Мс

tM Ј 0,1t,,

0

5

0

5

0

5

при этом соотношение длительности измерительных импульсов тока к периоду их следования выбирают из диапазона 1СГ2-1СГ5.

Vtw

генератора Зин пуль соб mow

VtoX генератора Ь импуль coS тока

%/

кондукто- метрииес кои ячейки 5

н

Фиг.г