Устройство для измерения потенциалов мембраны клетки Советский патент 1980 года по МПК A61B5/04 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛОВ MEMBPAHlil КЛЕТКИ

1

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано при электрофизиологических исследованиях.

Известно устройство для измерения потенциалов мембраны клетки, содержащее два микроэлектрода, индифферентный электрод, усилитель, блок управления, калибровочный резистор, генератор эталонного тока, первый резистор, причем калибровочный резистор соединен с индифферентным электродом и нулевой шиной, а первый микроэлектрод - с неинвертирующим входом усилителя 1.

Недостатком известного устройства являются большие погрешности измерения потенциалов мембраны клетки, вызванные дрейфом нулевого уровня и коэффициента усиления устройств усиления и регистрации, а также конечной величиной входного сопротивления предварительного усилителя и высокой степенью изменчивости величины собственного сопротивления мембраны и микроэлектрода в процессе эксперимента.

изобретения является уменьшение погрешностей измерения потенциалов мембраны клетки.

Для достижения этой цели устройство для измерения потенциалов мембраны клетки имеет преобразователь «напряжение - код, блок вычисления, два замыкающих ключа, второй резистор, блок коммутации и переключатель режима, причем блок управления соединен с первым и вторым замыкающими ключами, блоком коммутации, преобразователем «напряжение - коД и блоком вычисления, а генератор эталонного тока соединен с первым входом блока коммутации, второй вход которого связан с нулевой шиной, выход блока коммутации соединен с индифферентным электродом, второй микроэлектрод соединен с первым входом переключателя режима, второй вход которого соединен с

нулевой шиной, выход переключателя режима связан с инвертирующим входом усилителя, выход усилителя через последовательно включенные преобразователь «напряжение - код и блок вычисления соединен с регистратором, первый микроэлектрод через последовательно включенные первый резистор и первый замыкающий ключ связан снулевой щиной, а второй микроэлектрод соединен с нулевой щиной через последовательно включенные второй резистор и второй замыкающий ключ..

На чертеже представлена блок-схема устройства для измерения потенциалов мембраны клетки.,

Устройство содержит микроэлектроды 1 и 2, индифферентный электрод 3, преобразователь 4 «напряжение-код, первъщ резистор 5, первый замыкающий ключ 6, регистратор 7, второй резистор 8, второй замыкающий ключ 9, переключатель 10 режима, калибровочный резистор 11, генератор 12 эталонного тока, .блок 13 коммутации, блок 14 вычисления, блок 15 управления, усилитель 16.

Устройство работает следующим .

Различают два режима работы данного устройства:

а)измерение мембранного потенциала по несимметричной схеме одним микроэлектродом 1 относительно индифферентного электрода 3;.

б)измерение мембранного потенциала по дифференциальной схеме двумя микроэлектродами 1 и 2.

В первом режиме микроэлектрод 1 вводится BTiyfpb клетки и осуществляет подведение внутриклеточного потенциала к неинверти ующему входу усилителя 16, а переключатель 10 режима соединяет инвертирующий вход усилителя 16 с нулевой шиной и отключает от него микроэлеКтрод 2. В этом случае устройство измеряет мембранный потенциал VM по несимметричной схеме одним микроэлектродом 1 относительно индифферентного электрода 3. Усиленньш сигнал поступает на преобразователь 4 «напряжение-код и далее на блок 14 вычисления, где осуществляется коррекция погрешностей измерения и вычисляется неискаженное значение мембранного потенциала по вспомо,гательнь м тактам измерения. В первом режиме измерения потенциала мембраны клетки осуществляется в четыре такта.

В первом такте блок 15 управления размыкает первый размыкающий ключ 6, блок 13 коммутации отключает генератор 12 эта-, лонного тока от нулевой щины и подкяючает к калибровочному резистору 11,- На калибровочном резисторе 11 возникает эталонное напряжение и на вход усилителя 16 поступает суммарный сигнал (UK,-f Ug.). Усиленный усилителем 16 сигнал преобразуется в цифровую форму преобразователем 4 «напряжение-код. Результат первого измерения

NI K(UM+ Uyr) + В, .(1)

где К - общий коэффициент передачи измерительной цепи, включающей микроэлектрод 1,усилитель 16,преобра, зователь 4 «напряжение-код ; В - смещение нулевого уровня, обусловленное неточностью начальной установки уровня напряжения в измерительной цеп и его дрейфом, а также внутреннее сопротивление источника сигнала поступают в блок 14 вычисления. Во втором такте по сигналу блока 15 управления блок 13 коммутации подключает генератор 12 эталонного тока к нулевой шине и отключает от индифферентного электрода 3. На вход усилителя 16 поступает сигнал UM. После усиления и преобразования получается результат второго измерения Na кии -f В,(2)

который поступает в блок 14 вычисления, запоминается и вычитается из предыдущего результата (1);

N,-Ni КСэт.(3)

В третьем такте по сигналам блока 15 управления замыкается первый замыкающий ключ 6, при этом блок 13 коммутации остается в прежнем положении. Вследствии этого меняется коэффициент передачи цепи отведения сигнала в некоторое число раз Ki и проводится третье измерение:

N3 KKiUM+B,(4)

которое поступает на блок 14 вычисления,

где производится вычитание из результата

третьего измерения результата второго измерения (2):

Ns-Na KUM(Ki-l). .(5)

В четвертом такте по .сигналу блока 15 управления блок 13 коммутации отключает генератор 12 эталонного тока от нулевой шины и подключает к индифферентному электроду 3, при этом первый замыкающий ключ 6 остается замкнутым. Результат четвертого измерения:

N+ КК, (и„+и„) +В.(6)

Из этого результата блок 14 вычисления вычитает результат третьего измерения Мф-Ыз КК,иэт.(7)

После этого блок 14 вычисления определяет значение измеряемого потенциала по алгоритму:

« ).-Ул(8).

Результат вычисления - значение потенциала мембраны UN с блока 14,вычисления поступает на регистратор 7. При этом исключается влияние дрейфа нулевого уровня и коэффициента усиления усилителя и преобразователя «напряжение-код, а также величины сопротивления электродов, мембраны и окружающей ее среды и их изменений в,процессе измерения.

Во втором режиме исследуемый сигнал представляет собой разность потенциалов микроэлектродов 1 и 2 относительно индифферентного электрода 3. В этом случае переключатель 10 режима соединяет инвертирующий вход усилителя 16 с вторым микроэлектродом 2. В этом режиме микроэлектрод I также как и в первом режиме вводится внутрь клетки, а микроэлектрод 2 подводится к внешней стороне клетки и осуществляет подведение внеклеточного потенциала клетки к инвертирующему входу усилителя 16. Измерение сигнала UM во втором режиме проводится в пять тактов. В первом такте по сигналам блока .15 управления первый 6 и второй 9 замыкающие ключи разомкнуты, а блок 13 коммутации замыкает генератор 12 эталонного тока на нулевую щину. В этом случае между микроэлектродами 1 и 2 действует мембранный потенциал UM, который усиливается усилителем 16 ипреобразуется в цифровую форму преобразователем 4 «напряжение-код. Результат измерения в первом такте получается вида: N, (Кнп+ Kn)U,-f В,(9) где Кнп -общий коэффициент передачи измерительной цепи по неинвертирую щему входу, включающий микроэлектрод 1, усилитель 16, преобразователь 4 «напряжение-код, а также внутреннее сопротивление источника сигнала; Кп-общий коэффициент передачи измерительной цепи по инвертирующему входу., включающий микроэлектрод 2, усилитель 1б, преобразователь 4 «напряжение-код, а также внутреннее сопротивление источника сигнала; В - смещение нулевого уровня, обусловленное неточностью начальной установки уровня напряжения в измерительной цепи и его дрейфом. Значение NI заносится в блок 14 вычисления. Во втором такте сигнал блока 15 управления замыкает замыкающий ключ 6. Вследствие шунтирующего действия первого резистора 5 изменяется коэффициент передачи по неинвертирующему входу измерительной цепи в некоторое число Ki раз. Проводится измерение: Na (Кнп-Ki + К„)и„+ В.(10) Результат Ng поступает в блок 14 вычисления. В третьем такте при замкнутом первом замыкающем ключе 6 по сигналу блока 15 управления генератор 12 эталонного тока блоком 13 коммутации отключается от нулевой щины и подключается к калибровочному резистору И. В результате на калибровочном резисторе 11 создается эталонное напряжение UJT , которое является синфазным для измерительной цепи, включающей микроэлектроды 1 и 2 и усилитель 16. В остальном схема измерения в третьем такте не отличается от схемы второго такта. Результат измерения третьего такта Nj (KnriKi +Kr,)UH+ (Кнп-К, -Ки)Х AUw + B(11) поступает на блок 14 вычисления. В четвертом такте по сигналам блока 15 управления замыкающий ключ 6 разомкнут, замыкающий ключ 9 замкнут, а блок 13 коммутации отключает генератор 12 эталонного тока от калибровочного резистора 11 и подключает к нулевой щине. Вследствие шунтирующего действия второго резистора 8 коэффициент передачи по инвертирующему входу измерительной цепи изменяется в Кг раз. Результат измерения четвертого такта N (Ки„+Кн-Кг)и„+В(12) поступает в блок 14 вычисления. В пятом такте при замкнутом положении замыкающего ключа 9 по сигналу блока 15 управления блок 13 коммутации отключает генератор 12 эталонного тока от нулевой шины и подключает к калибровочному резистору 11. Результат измерения пятого такта N5 (К„п+ Кг,Кг)и„-ь (Кн«-КйК) иэт--Ь В.(13) поступает в блок 14 вычисления. По полученным в пяти тактах результатам-вспомогательных измерений осуществляется вычисление значения потенциала мембраны UM по формуле т I OLtj)(14 (Nj-NO-(N5-N4) Результат вычисления поступает на регистратор 7. Как следует из формул (8) (для первого режима работы устройства с одним микроэлектродом) и (14) (для второго режима работы с двумя микроэлектродами) результатом вычисления является точное значение мембранного потенциала UM, при этом исключается влияние дрейфа нулевого уровня и коэффициента усиления усилителя и преобразователя напряжения в код, а также величины сопротивления электродов, мембраны и окружающей ее среды и их изменений в процессе измерений. Предлагаемое устройство обеспечивает снижение погрешности измерения потенциала мембраны клетки при отведении сигнала как по симметричной, так и несимметричной схемам. Снижение погрешностей измерения и повышение достоверности информации при исследовании влияния биологически активных соединений на электрическую активность клеточных мембран позволяет повысить эффективность нап1 1вленного поиска указанных, соединений. Формула изобретения Устройство для измерения потенциалов мембраны клетки, содержащее два микроэлектрода, индифферентный электрод, усилитель, блок управления, калибровочный резистор, генератор эталонного тока, первый резистор и регистратор, причем каЛибровочный резистор соединен с индифферентным электродом и нулевой шиной, а первый микрбэлектрод сбёдинён t нёйнвертйрующйм входом усилителя, отл11чающеёся тёй, 4то, с Целью уменьшения погрешностей измерения, оно имеет преобрйзоватёль «йапряжение-код, блок вачйслМнШГдвОГйВГ ШЮщих Ключа, второй резистор, блбТГТбТййутаций и пёреключа1ель режима, причем блок упрШШейШсОединей с первым и вторым замыкающими ключами, блоком коймуга:ции, преобразователем «напряжение-код и блоком вычйслейия, а гейерйтор Шлбнйбгб тока соединенС первым входом блока коммутации, второй вход которого соединен с нулевой шиной, выход блока коммутацййсое Динен с индифферентным электродом, второй ШфоэМктрОд соедййей с первым входом пёрёКлК)Чат,еля режима, второй вход которо 7ГО соединен с нулевой шиной, выход переключатедй режима соединен с инвертирую-й1им входом усилителя, выход усилителя через последовательно включенные преобразователь «напряжение-код и блок вычисления соединен с регистратором, первый микроэлектрод через последовательно включенные первый резистор и первый замыкающий ключ соединен с нулевой шиной, а второй микроэлектрод соединен с нулевой шиной, через последовательно включенные второй резистор и второй замыкающий ключ. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Приборы и методы для микроэлектродного исследования клеток. Пущино, 1975 с. 43.