Устройство для измерения активной и реактивной составляющих импеданса биологических тканей Советский патент 1992 года по МПК A61B5/05 

Изобретение относится к области медицины и медицинской техники и может быть использовано для экспресс-диагностики различных заболеваний и количественной оценки степени патологических изменений в тканях и органах.

Известны устройства для раздельного измерения составляющих комплексного сопротивления и, в частности, активной и ре- активной составляющих импеданса биологических тканей, например, реографы. Реографы по устройству и принципу действия разделяют на биполярные (двухэлектродные) и тетраполярные (четырехэлекрод- ные).

Биполярный реограф состоит из моста переменного тока, в одно из плеч которого с помощью двух электродов включен биологический объект. В другое плечо включены переменные калиброванные резистор и конденсатор, которые служат для балансировки моста переменного тока по активной и емкостной составляющим импеданса биологической ткани. По показаниям калиброванного резистора и конденсатора определяют активное и емкостное сопроXIел о

N

о ю

тивление биологической ткани на рабочей частоте рео графа.

Однако при использовании мостовых схем измеряемые электрические характеристики биологической ткани неизбежно включают в себя и электрические характеристики границы раздела электрод - биологическая ткань, которые также обладают и активным и емкостным сопротивлением. Поэтому в двухэлектродных реографах с использованием мостовых схем трудно отдиф- ференцировать электрические свойства биологической ткани от погрешностей, вносимых электрическими свойствами электродов.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство для измерения активной и реактивной составляющих импеданса биологических тканей 3, содержащее генератор высокой частоты, объект измерения, подключенный по четырехэлектродной схеме (тетраполяр- ный метод), разделительный трансформатор, первичная обмотка которого соединена последовательно с объектом измерения м может шунтироваться конденсатором или резистором в зависимости от положения имеющегося переключателя. Вторичная обмотка трансформатора соединена последовательно с потенциальными электродами образца, суммарнсз напряжение с которых зависит от фазовых соотношений.

Известное устройство не позволяет проводить измерения активной и реактивной составляющих импеданса биологического объекта, то есть активного сопротивления R и емкостного сопротивления Хс с достаточной точностью по следующим причинам. В общем случае у исследуемого биологического объекта величины Хс и R неизвестны. Тогда при измерении, например, активной составляющей импеданса R необходимо полностью скомпенсировать емкостную составляющую импеданса Хс. В данном устройстве эту компенсацию осуществляют путем подключения в первичную обмотку трансформатора конденсатора, емкостное сопротивление которого на измеряемой части должно быть в точности равно емкостному сопротивлению биологического объекта. Если случайно окажется, что емкостные сопротивления равны, то действительно происходит полная компенсация емкостной составляющей Хс и на выходе будет регистрироваться активная составляющая R. Если же емкостное сопротивление конденсатора будет меньше или больше Хс биологического объекта, то произойдет неполная компенсация или перекомпенсация, и на выходе данного устройства в качестве активной составляющей R будет регистрироваться некоторый импеданс, который может иметь емкостной или даже индуктивный характер. Аналогичные

явления будут наблюдаться и при измерении емкостной составляющей импеданса. Таким образом, известное устройство не позволяет точно скомпенсировать активную и реактивную составляющие импеданса био0 логической ткани и емкостные свойства границы раздела токовые электроды - биологическая ткань изменяет свои электрические характеристики от частоты в широких пределах (на несколько порядков). В

5 связи с этим наличие з измерительной схеме, чувствительной к фазовым соотношениям,индуктивногоэлемента (трансформатора) является источником дополнительных неконтролируемых погреш0 ностей.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

На чертеже приведена функциональная схема устройства для измерения активной и

5 реактивной составляющих импеданса биологических тканей.

Устройство содержит генератор симметричных прямоугольных импульсов, интегратор 2, преобразователь 3 напряжение

0 -ток, два токовых электрода 4, два потенциальных электрода 5 дифференциальный усилитель 6. синхронный детектор 7, дзухпозиционный переключатель 8, фазос- двигающий на 90° каскад 9, усилитель 10

5 постоянного тока и измерительный прибор 11.

Устройство измерения активной и реактивной составляющих импеданса биологических тканей работает следующим

0 образом.

Генератор 1 симметричных прямоугольных импульсов вырабатывает строго симметричные прямоугольные импульсы напряжения со скважностью, равной двум,

5 что необходимо для обеспечения работы синхронного детектора с высокой точностью. Симметричные импульсы напряжения прямоугольной формы поступают на интегратор 2, где происходит преобразование

0 прямоугольных импульсов в напряжение пилообразной формы, которое затем подается на преобразователь 3 напряжение - ток. С выхода преобразователя 3 ток подается на токовые электроды 4, находящиеся

5 на биообъекте. Необходимость введения стабилизации зондирующего или измерительного тока вызвана тем, что переходные сопротивления границы раздела токовыб электроды - биологическая ткань непосто- янны и зависят от многих факторов: силь

прижима электродов, времени контактирования, наличия влаги, материала электродов и их площади. Точность измерения зависит от точности поддерживания постоянной величины измерительного тока.

Падение напряжения снимается с поверхности биологической ткани с помощью потенциальных электродов 5 и подается на вход дифференциального усилителя 6. Усиленное напряжение поступает на синхрон- ный детектор 7. Если двухпозиционный переключатель 8 находится в положении Хс, то фаза тока будет опережать фазу управляющих импульсов на 90°, и на выходе синх- ронного детектора 7 появляется напряжение, пропорциональное величине емкостного сопротивления ткани. Если двухпозиционный переключатель 8 находится в положении R, то фаза будет совпадать с фазой управляющих импульсов, и на выходе синхронного детектора 7 появится напряжение, пропорциональное величине активного сопротивления биологической ткани. Продетектированный сигнал с выхода синхронного детектора 7 поступает в уси- литель 10 постоянного тока, с выхода которого усиленное напряжение подается на измерительный прибор 11, показания которого пропорциональны величине активного или емкостного сопротивления ткани.

Формула изобретения Устройство для измерения активной и реактивной составляющих импеданса биологических тканей, содержащее два токовых и два потенциальных электрода и двухпозиционный переключатель, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены последовательно соединенные генератор симметричных прямоугольных импульсов, интегратор и преобразователь напряжение- ток, выходы которого подключены к токо- зым электродам, последовательно соединенные дифференциальный усилитель, входы которого соединены с потенциальными электродами, синхронный детектор, вход управления которого подключен к выходу двухпозиционного переключателя, усилитель постоянного тока и измерительный прибор, а также фазосдви- гающий на 90° каскад, вход которого соединен с входом интегратора и первым входом двухпозиционного переключателя, а выход подключен к второму входу двухпозицион- ного переключателя.

Устройство для измерения активной и реактивной составляющих импеданса биологических тканей позволяет повысить точность измерений. Выходное напряжение генератора 1 симметричных прямоугольных импульсов в интеграторе 2 преобразуется в треугольное напряжение и после преобразователя 3 напряжение-ток в виде треугольных импульсов тока поступает на токовые электроды 4. Снимаемое с потенциальных электродов 5 напряжение через дифференциальный усилитель 6, синхронный детектор 7, усилитель 10 постоянного тока поступает на измерительный прибор 11. Управляющее напряжение на синхронный детектор 7 поступает через двухпозиционный переключатель 8 либо непосредственно от генератора 1, либо через фазосдвигающий на 90° каскад 9. В одном положении переключателя 8 показания измерительного прибора 11 пропорциональны активной составляющей импеданса биообъекта, в другом - его реактивной составляющей. 1 ил. СП