РЕОГРАФИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ

Полезная модель относится к медицине, а именно к приборам инструментальной диагностики в области реографии - исследования кровотока отдельных органов или всего организма путем измерения биоэлектрического импеданса. Метод основан на регистрации прибором изменений полного электрического сопротивления (импеданса), вызванных пульсовыми колебаниями кровенаполнения органа.
Наиболее близким аналогом является реограф Р4-02 для биполярной и тетраполярной реографии (Смирнов И.В. Функциональная диагностика. ЭКГ, реаграфия, спирография / И.В.Смирнов, A.M.Старшов. - М.: Эксмо, 2008. - С.143-158). Реограф Р4-02 состоит из генератора переменного электрического тока и имеет четыре канала с различными частотами (40, 50, 70 и 100 КГц), а также собственный электрокардиографический канал. Диапазон измеряемого импеданса - от 10 до 250 Ом, точность измерения - 10%. Как и другие реографы прибор оснащен блоком сопротивлений, выполняющего функцию детектора, усилителя и дифференцирующего устройства (блок сопряжения).
Недостатки: существующий реограф предназначен для исследования гемодинамических параметров сердечно-сосудистой системы в клинической практике, не предназначен для экспериментальных целей, является недостаточно точным в измерении базового импеданса (точность измерения 10%), чувствителен к электрохимическим изменениям на электродах, влияниям дыхательной системы, не имеет блоков автоматической регистрации и обработки сигнала. Кроме этого, существующий прибор производит регистрацию биоэлектрического импеданса только на одной из фиксированных частот (40, 50, 70 и 100 КГц) зондирующего переменного электрического тока, применяемых в зависимости от задачи клинического исследования той или иной системы организма человека, или органа.
Технический результат: повышение точности измерений. Это достигается с помощью предложенной установки, состоящей из гидродинамической части установки: рабочей камеры с исследуемой жидкостью, соединенной с перистальтическим насосом Heidolph PD-5101 эластичными трубками, и, с помощью двух фиксированных к ней электродов, с электроизмерительной частью, состоящей из генератора синусоидального переменного тока, блока сопряжения, аналого-цифрового устройства и компьютера.
Полезная модель изображена на схеме (фиг.1), где 1 - рабочая камера, соединенная с перистальтическим насосом (гидродинамическая часть); 2 - генератор синусоидального переменного электрического сигнала, 3 - блок сопряжения, 4 - аналого-цифровой преобразователь, 5 - компьютер (электроизмерительная часть).
2
Гидродинамическая часть прибора (1) состоит из рабочей камеры и прецизионного перистальтического насоса Heidolph PD-5101. Рабочая камера представляет собой протяженную полимерную трубку определенной длины, например 22 см, и площади поперечного сечения, например 0,709 см, соединенную эластичными трубками с перистальтическим насосом Heidolph PD-5101, снабженную на концах двумя кольцевыми нихромовыми электродами для соединения с блоком сопряжения. Рабочая камера позволяет измерять сопротивление как неподвижной, так и текущей жидкости при заданной скорости течения и уровне расхода, задаваемыми перистальтическим насосом, в диапазоне скорости создаваемой перистальтической волны от 0 до 120 rpm.
Электроизмерительная часть установки состоит из генератора синусоидального напряжения Г3-106 (2), блока сопряжения (3) и двухканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) SIGMA-ZET 210 (4), подключаемого к порту USB-2 компьютера (5). Сигнал с генератора синусоидального напряжения заданной частоты (диапазон частот от 10 Гц до 250 КГц) и амплитуды тока (2 мкА - 1 мА) (2) поступает на вход блока сопряжения (3), формирующего два сигнала сопротивления: эталонный и измеряемый, что обеспечивает независимость измерения сопротивления в широком диапазоне величин от амплитуды питающего напряжения. Один полумост блока сопряжения (3) состоит из известных эталонных сопротивлений, по которым рассчитывается величина входного сигнала сопротивления. В плечо второго полумоста включена рабочая камера. Электроды рабочей камеры используются одновременно для подачи зондирующего сигнала и регистрации параметров измеряемого импеданса экспериментальной жидкости. Значения эталонных сопротивлений полумостов задаются переключателями, что обеспечивает работу блока сопряжения в диапазоне величины измеряемого сопротивления от 20 Ом до 100 кОм. После прохождения через канал аналого-цифрового преобразователя (4) сигнал поступает на компьютер (5). Конечный результат оценивается с помощью оригинальной программы персонального компьютера.
Полезная модель работает следующим образом.
Рабочую камеру гидродинамической части установки (1) заполняют экспериментальной биологической жидкостью (цельная гепаринизированная кровь, плазма, сыворотка крови, растворы декстранов, кристаллоидов, белков или жировые эмульсии в зависимости от задачи эксперимента) и соединяют с перистальтическим насосом (способ соединения зависит от условий эксперимента). Перистальтический насос включают, и устанавливают необходимые параметры скорости от 0 до 120 rpm и объема расхода жидкости, а также степени пережатия рабочей камеры (если предусмотрено условиями эксперимента).
После включения электроизмерительной части экспериментальной реографической установки сигналы эталонного и измеряемого сопротивлений, полученные с блока сопряжения (3), поступают на входы аналого-цифрового преобразователя (4), оцифровываются и передаются в компьютер (5) для записи в массивах данных. По отношению измеряемого сигнала сопротивления к эталонному сигналу в каждый из моментов времени оригинальная компьютерная программа вычисляет величину полного сопротивления и фазовый сдвиг между эталонным и измеряемым сигналами. Поскольку суммарная частота преобразования (дискредитизации) по всем каналам для АЦП SIGMA-ZET 210 равняется 500 кГц, то количество проанализированных экспериментальных точек составляет до 250000 Гц по каждому входу. За счет такого большого количества измерений (и, как следствие, существенного уменьшения величины суммы среднеквадратичного отклонения измеренного сопротивления от среднего значения) обеспечивается высокая точность измерения сопротивления в широком диапазоне частот, токов и фазовых сдвигов входного сигнала. Максимальная погрешность измерения с учетом корректирующих поправок, рассчитываемых и вносимых компьютером по результатам нормировочных тестовых измерений не более 0,1%. При необходимости точность измерения может быть повышена путем применения более сложных и совершенных программ фильтрации, сглаживания флуктуации и статистической обработки данных, что, однако, приводит к увеличению времени обработки результатов измерений, составляющего в настоящее время 45 сек на одноядерном компьютере Pentium-4 с рабочей частотой процессора 1,7 ГГц.
Для нескольких модельных жидкостей получены зависимости полного сопротивления и фазового сдвига неподвижного, равномерного и пульсирующего потока жидкости от частоты питающего напряжения, амплитуды тока, скорости течения и расхода жидкости, температуры и концентрации раствора. По значениям модуля и фазы импеданса определены величины активной и реактивной (емкостной) составляющих исследуемого входного сопротивления на различных частотах. Для известных геометрических размеров рабочей камеры рассчитываются удельная электропроводность и диэлектрическая проницаемость электропроводящей жидкости. Их изменения во времени в виде графиков могут быть обработаны и отражены стандартными известными программами, например "Microsoft Office Excel".
Таким образом, предлагаемая полезная модель отличается от существующего аналога тем, что для выяснения и изучения физических зависимостей импеданса от параметров текущей электропроводящей жидкости применяют рабочую камеру с фиксированными в ней электродами и твердыми или упругими стеками, а также перистальтический насос, имитирующий гемодинамические параметры сердечно-сосудистой системы. Существенное, по сравнению с ранее использовавшимися методами, повышение точности измерений (до 0,1%) достигается тем, что в широком диапазоне частот (от 20 Гц до 100 КГц) производят измерение не только модуля, но и фазы биоэлектрического импеданса, что позволяет разделить его омическую и емкостную составляющие, а регистрацию сигнала осуществляют в течение времени, достаточного для получения посредством аналого-цифрового преобразования массива измеренных значений, содержащего до 200000 экспериментальных точек (в течение 0,8 секунды), статистическая обработка которых с использованием компьютера, оснащенного соответствующим оригинальным программным обеспечением, позволяет на 1-2 порядка уменьшить среднеквадратичную погрешность измерений.