СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕХОДНОЙ ЕМКОСТИ
METHOD OF MEASURING TRANSIENT CAPACITANCE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области медицинской диагностики, точнее, к измерению электрической проводимости или сопротивления части тела.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
При исследовании электрического импеданса (далее - импеданса) живых организмов актуальной является задача отделения импеданса исследуемых тканей от составляющей, связанной с переходным импедансом «электроды-исследуемая ткань», имеющим, в основном, емкостной характер (далее -переходная емкость) и на низких частотах вносящим недопустимо большое влияние на результат измерений.
Традиционно для компенсации переходной емкости используется четырех-электродная или тетраполярная схема измерения, в которой зондирующий сигнал от источника тока подается на одну пару электродов, называемых токовыми или инжекторными, а возникающее под действием этого тока напряжение на исследуемом участке ткани снимается другой парой расположенных, как правило, между первыми двумя электродами, называемых измерительными или потенциальными.
Известен также двухэлектродный способ определения электрического сопротивления биологической ткани, позволяющий компенсировать электродные сопротивления при помощи электродов с изменяемой площадью при сохранении их габаритов.
Однако, использование указанных способов в малогабаритных и носимых устройствах затруднено из-за необходимости экономии энергии и упрощения конструкции как электрических компонентов, так и электродов.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является предлагаемый в заявке ЕР 3160338, публикация 07.03.2018, МПК А61В 5/00 емкостной измеритель для носимых устройств. Принцип измерения переходной емкости заключается в определении частоты колебаний релаксационного генератора, в электрическую цепь которого включен исследуемый участок тела. Как известно, частота его автоколебаний определяется постоянной времени входящей в его состав RC-цепочки. Так на RC-цепочку, соединенную параллельно пороговому устройству с гистерезисом, подается постоянное напряжение, заряжающее емкостной компонент цепочки через ее резистивный компонент. По достижении на цепочке верхнего напряжения переключения за время, как было сказано выше, определяемое постоянной времени RC-цепочки, проводимость порогового устройства возрастает лавинообразно, в результате чего емкостной компонент цепочки быстро разряжается. Когда напряжение на емкостном компоненте падает до некоторого нижнего порога, пороговое устройство прекращает проводить ток, и емкостной компонент начинает заряжаться вновь, и далее цикл повторяется. Если частью RC-цепочки является указанный участок тела, то, зная параметры части цепочки, являющиеся составной частью электрической схемы прибора, можно определить измеряемую переходную емкость. Как видно из описания, пассивные и активные нелинейные элементы релаксационного генератора не обладают резонансными свойствами.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[AS1]
Техническим результатом заявляемого изобретения является (повышение точности определения значения переходной емкости между электродами и кожей человека при использовании двух электродов, установленных на его коже, которое можно использовать для корректировки результатов биоимпедансных измерений тканей между электродами.
Способ измерения переходной емкости между электродами и кожей человека при использовании двух электродов, установленных на коже, включает следующие действия. Подключают измерительному электроду индуктивность известного номинала, тем самым создают цепь, состоящую из последовательно соединенных индуктивности, измерительного электрода, электрода заземления и участка кожной ткани между двумя электродами. Подают сигнал возбуждения на вход созданной цепи. На измерительном электроде измеряют параметры сигнала-отклика цепи. После чего определяют значение указанной переходной емкости.
Сущность изобретения заключается в измерении переходной емкости с помощью организации резонанса в цепи, включающей в себя последовательно соединенные нагрузку (исследуемый участок ткани, хорошо описываемый известной моделью Коула-Коула, в сочетании с переходной емкостью между электродами и кожей человека) и подключаемой индуктивностью известного номинала. Такой способ дает возможность достаточно точно измерить переходную емкость, что в свою очередь позволяет корректировать результаты биоимпедансных измерений тканей между электродами. Таким образом, способ измерения переходной емкости является существенной составной частью биоимпедансных измерений. Следует также заметить, что данный способ может применяться и самостоятельно, только для измерения переходной емкости.
Предлагаемый способ позволяет использовать простую схему для измерения переходной емкости, при этом резонансный метод позволяет достичь хорошей точности измерения переходной емкости за сравнительно небольшое время. Это позволяет прерывать биоимпедансные измерения на сравнительно короткий временной промежуток.
В частности, в качестве сигнала возбуждения используют ступенчатое напряжение.
Кроме того, в качестве сигнала возбуждения можно использовать синусоидальное напряжение изменяемой частоты.
В частности, на основе измеренных параметров сигнала-отклика определяют резонансную частоту упомянутой цепи.
Помимо этого, упомянутые электроды установлены на носимом устройстве.
В частном случае измерение переходной емкости производят периодически между биоимпедансными измерениями.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 приведена блок-схема устройства! обеспечивающего выполнение способа.
На Фиг. 2 приведена упрощенная схема измерения переходной емкости.
На Фиг. 3 приведен пример расположения электродов на носимом устройстве.
На Фиг. 4 приведена блок схема выполнения операций по одному варианту выполнения способа определения переходной емкости.
На Фиг. 5 приведена блок схема выполнения операций по другому варианту выполнения способа определения переходной емкости.
На Фиг. 6 приведена временная диаграмма, показывающая включение режима измерения переходной емкости между режимами измерения биоимпеданса.
На Фиг. 7 приведен пример резонансной кривой, являющейся измеренным сигналом-откликом исследуемой цепи.
На Фиг. 8 приведен пример модуля спектра резонансной кривой.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ измерения переходной емкости между электродами и кожей человека при использовании двух электродов, установленных на коже, может быть реализован на следующем носимом устройстве. Он может быть применен и в стационарном варианте, содержащем электроды, устанавливаемые на коже пациента лечебного учреждения.
[AS2]
Носимый прибор 1 (Фиг. 3) содержит два электрода, измерительный электрод 2 и электрод 3 заземления, для проведения биоимпедансных измерений. Измерительное устройство содержит микропроцессорное устройство 4, установленное в корпусе носимого устройства 1. Микропроцессорное устройство предполагает наличие управляющего модуля 5, регулирующего работу микропроцессора, как в процессе измерения переходной емкости, так и в процессе проведения биоимпедансных измерений. Для генерации сигнала возбуждения предназначен блок 6 сигнала возбуждения микропроцессора 4. Выход микропроцессора (а) с блока 6 сигнала возбуждения подключен к индуктивности L 11, которая далее подключена к коммутатору 10 микропроцессора 4. В схеме предусмотрен и блок измерительных сигналов 8, который вырабатывает сигналы для проведения биоимпедансных измерений, выход которого также подключен к коммутатору 10.
Переключение коммутатора 10 с режима измерения биоимпеданса на режим измерения переходной емкости и обратно обеспечивает управляющий модуль 5. Выход коммутатора 10 подключен к измерительному электроду 2. К этому же электроду подключен вход аналого-цифрового преобразователя 9, выход которого подключен к входу вычислительного модуля 7 микропроцессора 4. Электрод 3 также подключен к общей шине носимого устройства 1. Вычислительный модуль 7 также работает под управлением управляющего модуля 5 микропроцессора 4.
Способ измерения переходной емкости между электродами и кожей человека при использовании двух электродов, установленных на коже, осуществляется следующим образом (блок схемы на Фиг. 4 и Фиг. 5).
Подключают к измерительному электроду 2 индуктивность L известного номинала, тем самым создают цепь, состоящую из последовательно соединенных индуктивности 11, измерительного электрода 2, электрода заземления 3 и участка 12 кожной ткани между двумя электродами 2 и 3 (Фиг. 1, Фиг. 2). По команде управляющего модуля 5 в блоке 6 сигнала возбуждения генерируется сигнал, который подается на выход «а» микропроцессора, то есть на индуктивность 11 и далее на электрод 2.
Рассмотрим первый вариант воплощения способа.
В качестве сигнала возбуждения на цепь, состоящую из индуктивности 11 L, электрода 2, нагрузки Z (участка кожной ткани) и электрода 3, ступенчатое напряжение. Это приводит к формированию переходного процесса в виде затухающих периодических колебаний, которые фиксируются аналогово-цифровым преобразователем 9, вход которого подсоединен к электроду 2.
Вид колебаний (сигнала-отклика цепи), полученных опытным путем, показаны на Фиг. 7 в виде кривой 15. На графике по оси абсцисс отложено время в микросекундах, по оси ординат - напряжение в отсчетах АЦП.
В вычислительном модуле 7 микропроцессора 4 на основе сигнала-отклика цепи определяют резонансную частоту измерительной цепи.
р
full
Частота колебаний определяется, в основном, индуктивностью катушки 11 L и емкостью С, входящей в нагрузку, и в меньшей степени - активной составляющей полного импеданса измерительного тракта R.
Формула определения частоты ω резонансных колебаний в цепи с затуханием:
где:
0
ω - резонансная частота при отсутствии потерь в контуре,
- коэффициент затухания.
Добротность контура:
Из этих уравнений получены формулы для переходной емкости и активной составляющей полного импеданса измерительного тракта:
Таким образом, из резонансной характеристики необходимо определить значения коэффициента затухания δ и резонансную частоту ω. Это реализуется на основе сигнала-отклика цепи из максимумов и минимумов резонансной кривой 15 (см. Фиг. 7) по периоду и декременту затухания колебаний.
При необходимости, резонансную частоту цепи можно уточнить, определив декремент затухания δ указанных автоколебаний по формуле:
0
Зная величину резонансной частоты ω или ее оценку ω, можно вычислить величину переходной емкости Ср по формуле:
Частота колебаний может быть получена и с помощью преобразования Фурье, определив частоту максимума квадрата модуля спектра сигнала (см. Фиг. 7, где по оси абсцисс отложена циклическая частота (крад/сек), по оси ординат - квадрат модуля спектра). Декремент затухании δ указанных автоколебаний может быть определен на полувысоте спектра сигнала (Фиг. 7).
Кратко способ по первому варианту содержит следующие операции (Фиг. 4):
- подают ступенчатое напряжение на измерительную цепь 101,
- записывают сигнал-отклик измерительной цепи 102,
- определяют резонансную частоту и декремент затухания 103,
- определяют переходную емкость 104.
Второй вариант воплощения способа заключается в следующем (Фиг. 5).
В качестве сигнала возбуждения с блока 6 сигнала возбуждения используют синусоидальное напряжение изменяемой частоты. Подают синусоидальное напряжение на измерительную цепь. В этом случае определение резонансной частоты ω производят по максимуму амплитуды сигнала-отклика цепи. И далее величину переходной емкости Ср получают с помощью выражения (5). Следует отметить, что второй вариант воплощения способа требует большего времени для реализации.
Кратко способ по второму варианту содержит следующие операции (Фиг. 5):
- подают синусоидальное напряжение изменяемой частоты на измерительную цепь 201,
- определяют резонансную частоту по сигналу-отклику измерительной цепи 202,
- определяют переходную емкость 203.
Полученные значения Ср могут быть использованы как самостоятельный результат, так и в качестве данных для корректировки результатов биоимпедансных измерений тканей между электродами. На Фиг. 6 показан временной период Т определения переходной емкости, межу циклическими биоимпедансными измерениями, который может составлять единицы миллисекунд. Дополнительным результатом измерения переходной емкости может быть определение случаев, когда контакт между кожей и электродами теряется. Эти данные используются для исключение неверных результатов вычисления характеристик биоимпедансных измерений, а также для сообщения пользователю носимого устройства о неполадках.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Способ измерения переходной емкости между электродами и кожей человека является важной составляющей биоимпедансных измерений, позволяющий получать более достоверные данные о состоянии организма человека и других млекопитающих. Способ особенно применим для носимых устройств, которые должны иметь малые габариты и вес.