Способ исследования биологических объектов на основе анализа нелинейных искажений проходящего электрического сигнала
METHOD OF ANALYSING BIOLOGICAL OBJECTS BASED ON ANALYSIS OF NONLINEAR DISTORTIONS OF PASSING ELECTRICAL SIGNAL

Область техники. Изобретение относится к области медицины, в частности, к определению электропроводящих свойств биологических объектов на основе анализа нелинейных искажений проходящего электрического сигнала, и предназначено для использования при диагностике нормальных свойств и патологических отклонений этих свойств при заболеваниях.
Уровень техники. Исследование электрических явлений и свойств биологических объектов занимает заметное место в арсенале диагностических методик в медицине. В основе ряда данных методик лежит изучение электрических потенциалов, формируемых биологическими объектами. К таким относятся: электроэнцефалография [Зенков Л.Р. Клиническая электроэнцефалография с элементами эпилептологии - М.: МЕДпресс-информ, 2002.], электрокардиография [Руководство по электрокардиографии / В.Н. Орлов. - 9-е изд., испр. - Москва: ООО «Медицинское информационное агентство», 2017. - 560 с., ил.], электрогастроэнтерография - метод исследования моторной деятельности желудка и кишечника [Рапопорт С.И., Ракитин Б.В. Периферическая электрогастроэнтерография / В кн.: Руководство по гастроэнтерологии / Под ред. Ф.И. Комарова, С.И. Рапопорта. - М.: МИА, 2010. С. 87-88.], электронистагмография (ЭНГ) [Применение компьютерной электронистагмографии в оценке оптокинетических нистагменных реакций С.В. Лиленко, Е.П. Маслова, Г.М. Петрова, И.Г. Самойлова / Вестник оториноларингологии, N 3-2000, стр. 13-16], электромиография (ЭМГ) [Николаев, С.Г. Электромиография: клинический практикум / С.Г. Николаев. - Иваново: ПресСто, 2013. - 393 с., Клиническая электромиография для практических неврологов. Руководство. Санадзе А.Г., Касаткина Л.Ф. М.: Геотар-Медиа. 2015. 64 с.: ил.], электронейрография (ЭНГ) [Команцев В.Н. Методические основы клинической электронейромиографии. Руководство для врачей. - СПб.: 2006. - 362 с.].
Другая часть методик основана на исследовании прохождения тока, как правило -переменного, синусоидальной формы, через биологические объекты. К таковым относятся: электрореография (ЭРГ) [Иванов Л.Б., Макаров В.А. Лекции по клинической реографии. - М.: АОЗТ "Антидор", 2000. - 320 с., Географические методы исследования сосудистой системы / Учебное пособие / Составители: Полухина Е.В., Глазун Л.О. - Хабаровск, 2006. - 97 с.], стимуляционная электронейромиография [Николаев, С.Г. Атлас по электромиографии / С.Г. Николаев. - 2-е изд., испр. и доп. - Иваново: ПресСто, 2015. - 487 с.: ил., табл.], биоимпедансометрия [Д.В. Николаев, А.В. Смирнов, И.Г. Бобринская, С.Г. Руднев. Биоимпедансный анализ состава тела человека. - Москва: Наука, 2009. - 392 с.].
Известна методика стимуляционной электронейромиография (ЭНГ) - исследование моторных ответов и величин скорости распространения возбуждения по моторным и сенсорным волокнам, поздних нейрографических ответов: F- и Н-волн, мигательного рефлекса, декремент-тест с оценкой надежности нервно-мышечной передачи [Команцев В.Н. Методические основы клинической электронейромиографии. Руководство для врачей. - СПб.: 2006. - 362 с., Николаев, С.Г. Атлас по электромиографии / С.Г. Николаев. - 2-е изд., испр. и доп. - Иваново: ПресСто, 2015. - 487 с.: ил., табл.].
Известна методика биоимпедансометрии - биоимпедансный анализ - это контактный метод измерения электрической проводимости таких биологических объектов, как ткани организма, дающий возможность оценки широкого спектра морфологических и физиологических параметров организма. В биоимпедансном анализе измеряются активное и реактивное сопротивления тела человека или его сегментов на различных частотах. Доказано наличие объективных и устойчивых закономерностей, связывающих измеренные значения импеданса с параметрами состава тела. [Д.В. Николаев, А.В. Смирнов, И.Г. Бобринская, С.Г. Руднев. Биоимпедансный анализ состава тела человека. - Москва: Наука, 2009. - 392 с.]. Через электроды тело человека включается в электрическую цепь, прикладывается переменное напряжение, формируется зондирущий ток и по его величине и фазовому сдвигу вычисляется импеданс. Импеданс обусловлен биохимическим составом как клеточной, так и неклеточной сред биологического объекта. При этом гармонические искажения, возникающие в регистрируемом сигнале, считаются помехой и их причины усматривают в дефектах электрической цепи. [Д.В. Николаев, А.В. Смирнов, И.Г. Бобринская, С.Г. Руднев. Биоимпедансный анализ состава тела человека. - Москва: Наука, 2009. - 392 с.].
Известно, что в цепях и устройствах, выполняющих обработку аналоговых сигналов, каждый нелинейный элемент обладает способностью вносить искажения в форму сигнала. Совокупность характеристик этих искажений зависит от свойств данного элемента и достаточно точно может быть предсказана, если эти свойства известны. И, напротив, на основании анализа характеристик искажений, можно сделать вывод об свойствах источника этих искажений в рамках цепи или устройства и идентифицировать его [Douglas Self / Audio Power Amplifier Design. 6th edition (2013); Focal Press; 718 р.]. Иными словами, искажения сигнала, возникающие при прохождении сигнала через биологический объект, можно использовать в целях получения информации об этом объекте.
Наиболее близкий аналог к предлагаемому способу - способ одночастотной биоимпедансометрии [Мартиросов Э.Г. Технологии и методы определения состава тела человека / Э.Г. Мартиросов, Д.В. Николаев, С.Г. Руднев. - М.: Наука, 2006. - 248 с.]. В этом случае биоимпедансные анализаторы относят к одночастотным (измерения производятся на одной частоте, как правило равной 50 кГц - в этом случае реактивная компонента импеданса тканей мышц близка к максимальной). Выпускается большое количество различной аппаратуры для биоимпедансометрии. Например - одночастотный биоимпедансный анализатор RJL-101a (RJL Systems, США). В этом случае через ткани человеческого тела по определенной траектории с помощью электродной системы пропускают электрический ток определенной частоты. Частоты выбирают в зависимости от задач, поставленных перед исследованием, в диапазоне от 1 кГц до 1,3 МГц. В случае использования характеристической частоты, соответствующей максимуму реактивного сопротивления, точность измерения может быть повышена. Измеряемой величиной является импеданс биологического объекта на избранной частоте. На основании величины импеданса и пути тока делают вывод о свойствах тканей, клеток, иных биологических объектов и сред.
Раскрытие изобретения
Сущность изобретения.
Способ исследования свойств биологических объектов на основе анализа нелинейных искажений проходящего электрического сигнала, заключающийся в пропускании через биологический объект с помощью электродной системы электрического тока определенной частоты, отличающийся определением в целях получения информации об этом объекте спектра и уровня гармонических искажений, возникающих при прохождении сигнала через биологический объект.
Это обеспечивает достижение технического результата в виде получения информации о свойствах биологического объекта, а именно - о способности вносить в исходный сигнал искажения, характеризующиеся спектром гармоник, и уровнем каждой из гармоник по отношению к опорному сигналу и к другим гармоникам. Тем самым значительно возрастает количество характеристик, доступных для инструментального измерения и являющихся признаками свойств конкретного образца биологического объекта. И эта совокупность измеряемых величин позволит объективизировать идентификацию биологического объекта, на основе свойств объекта вносить гармонические искажения в исходный сигнал.
Задача изобретения.
Задачей изобретения является создание нового способа получения информации об электрических свойствах биологических объектов, такой информации, которую иными способами получить невозможно - способа исследования биологических объектов на основе анализа нелинейных искажений проходящего электрического сигнала.
Недостатками существующих способов, в числе которых различные варианты одночастотной биоимпедансометрии, реографии, является измерение всего лишь одного параметра - импеданса. Остальные результаты, такие, как содержание воды, жира в биологическом объекте, являются расчетными. Следствием становится относительная неполнота информации о свойствах биологического объекта, которую можно получить при использовании существующих методик, по сравнению с информацией о свойствах, потенциально доступной для получения при использовании предлагаемого подхода.
Осуществление изобретения.
Для осуществления предлагаемого способа необходимо сформировать электрический сигнал, пропустить его через биологический объект, и в сигнале на выходе из объекта определить наличие гармонических искажений этого сигнала и измерить такие характеристики этих искажений, как номера составляющих искажения сигнала гармоник, уровень гармоник, соотношение уровней гармоник между собой и с исходным сигналом.
Нами использована электрическая цепь, включающая программный цифровой генератор сигнала, высококачественный цифро-аналоговый преобразователь, соответствующие проводники и электроды, высококачественный аналогово-цифровой преобразователь и программное обеспечение для цифрового анализа нелинейных искажений. Электрическая цепь при исследовании оборудуется следующим образом. Программный генератор, установленный на персональном компьютере, подает цифровой сигнал на цифро-аналоговый преобразователь. Далее сигнал от цифро-аналогового преобразователя подается через соответствующий проводник на первый из электродов, прикладывается через электрод к биологическому объекту, снимается вторым электродом, подается через проводник на вход аналогово-цифрового преобразователя, и далее в цифровой форме обрабатывается установленным на персональном компьютере программным обеспечением для анализа гармонических искажений. Результаты анализа могут быть представлены в графической форме и сохранены в виде файла. Исследования биологического объекта проводится следующим образом. Используется сигнал синусоидальной формы частотой 1 кГц. Частота сигнала, его форма и иные характеристики, определяются настройками генератора и могут быть иными. В качестве исходной точки проводится изучение гармонических составляющих самого сигнала и цепи при замкнутых накоротко первом и втором электродах. Результат анализа гармонических искажений - наличие гармоник и их соотношение между собой на этом этапе приведен на фиг. 1. Результаты записываются файл. Для исследования биологического объекта он включается в цепь между электродами. Нами использованы нативные образцы слюны. Способ опробован нами и на образце водопроводной воды. Для каждого из образцов получены спектры гармоник с соответствующими соотношениями между ними. На фиг. 2 - наличие гармоник и их уровень и соотношение между собой для водопроводной воды, на фиг. 3 - наличие гармоник и их соотношение между собой при пропускании сигнала через слюну мужчины 38 лет, на фиг. 4 - через слюну девушки 15 лет. Получена очевидная разница между спектрами каждой из сред, в том числе присутствующих гармоник и соотношений между ними и с исходным сигналом.