УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ

Полезная модель относится к биотехническим средствам, применяемым в психологии, физиологии, спорте и может быть использована для оценки и тренировки психоэмоциональных реакций, оценки состояния биологических тканей.
Электрокожное сопротивление является чувствительным показателем при оценке психоэмоциональных реакций. Электрическое сопротивление тканей позволяет оценить их функциональное состояние. Этим обусловлена необходимость разработки устройств, которые позволяют оценить данный показатель.
Из техники известны различные устройства для оценки электрического сопротивления кожи и других тканей с использованием аналогово-цифровых преобразователей высокого разрешения, усилителей, мультиплексоров для переключения диапазонов измерения для обеспечения возможности измерения сопротивления в широком диапазоне значений (Патенты РФ 2173537, 97104551, 99109623, 96112705 и др.).
Основными недостатками являются:
1 - относительная дороговизна и сложность схемной реализации;
2 - применение постоянного измерительного напряжения, что может вызывать эффект поляризации подлежащих тканей, подэлектродные электрохимические процессы, что вносит искажения в процесс регистрации;
3 - сложность многоканальной регистрации, за счет «проникновения с канала на канал».
Целью разработки полезной модели является упрощение и удешевление конструкции изделия.
Эта задача решается применением микроконтроллера с большим количеством цифровых линий ввода/вывода, что позволяет подавать напряжение различной полярности к измерительным электродам за счет подключения их к двум линиям и попеременного формирования на них логического «0» и «1», что имитирует попеременную подачу «минуса» и «плюса», при этом к соседним линиям ввода/вывода подключены ограничивающие разрядный ток резисторы и конденсаторы, время заряда конденсатора зависит от измеряемого электрического сопротивления тканей, для расчета которого выводится формула по калибровочному графику зависимости известных калибровочных сопротивлений и измеренного времени по таймеру микроконтроллера. Такой подход позволяет измерять электрическое сопротивление биологических тканей в достаточно широком диапазоне (от 10 кОм до 2 мОм), используя дешевое схемотехническое решение. В виде выходного показателя используется измеренное время заряда конденсатора или уже рассчитанное по заложенной программе микроконтроллером сопротивление, этот показатель передается через интерфейс сопряжения (USB, RS232, радиоканал) в персональный компьютер, смартфон и т.п.или отображается на шкале, подключенной к микроконтроллеру. Дополнительное использование высокоточных регуляторов напряжения, управление которыми осуществляется также через цифровые линии входа/выхода позволяет повысить стабильность и точность измерения сопротивления за счет нивелирования возможных флуктуаций напряжений на линиях микроконтроллера, что позволяет как подавать стабильное напряжение, так и определять стабильный уровень логической «1». Попеременная подача напряжения путем варьирования подачей логических «0» и «1» на измерительные электроды (или попеременного включения регуляторов напряжения) позволяет избавиться от возможных эффектов поляризации при прикладывании постоянного измерительного напряжения к электродам. Использование микроконтроллера с большим количеством цифровых линий позволяет проводить многоканальные измерения. Все это существенно повышает эксплуатационные характеристики и расширяет возможности и оперативность применения устройства.
С этой целью в устройстве регистрации электрического сопротивления биологических тканей применены микроконтроллер с не менее, чем шестью цифровыми линиями входов/выходов, конденсаторы, включенные в электрическую цепь между 1 и 2, 5 и 6 цифровыми линиями, резисторы, ограничивающие разрядный ток конденсатора, включенные в электрическую цепь между 2 и 3, 4 и 5 цифровыми линиями, измерительные электроды, подключенные ко 2 и 5 цифровым линиям микроконтроллера. Для стабилизации подаваемого на измерительные электроды и считываемого на логическом входе напряжения дополнительно применены дополнительные высокоточные регуляторы напряжения, включенные в электрические цепи между измерительным электродом и источником входного напряжения и между резистором, ограничивающим разрядный ток конденсатора и дополнительной цифровой линией с возможностью программного включения/выключения через дополнительные цифровые линии.
Техническим результатом, обеспечиваемым наличием приведенной совокупности признаков у предлагаемой полезной модели, является простота и удешевление конструкции, что расширяет области использования методик оценки электрического сопротивления биологических тканей.
Конструкция устройства регистрации электрического сопротивления биологических тканей поясняется фиг. 1-2.
Устройство регистрации электрического сопротивления биологических тканей (фиг. 1-2) содержит микроконтроллер 1 с цифровыми линиями входа/выхода, условно обозначенными как «пин 1-9»; измерительные электроды 4, подключенные к «пинам 2 и 5»; ограничивающие разрядный ток конденсаторов резисторы 3 (например, номиналом 360±100 Ом) и конденсаторы 2 (например, номиналом 0,1±0,02 мкФ), подключенные к соседним «пинам»: «1-2», «2-3» и «4-5», «5-6»; интерфейс для передачи данных 5 от микроконтроллера 1 к персональному компьютеру или смартфону и т.п.Дополнительно могут быть применены высокоточные регуляторы напряжения (например, ADP3303) 6 и 7 для подачи измерительного напряжения - 6 и фиксации достигнутого порогового значения напряжения - 7 (на фиг. 2. схематично показано подключение для формирования одного полуцикла измерения с одной полярностью, второй полуцикл измерения с обратной полярностью формируется при аналогичном подключении дополнительных регуляторов напряжения для подачи на электроды напряжения обратной полярности и считывания показаний при определении времени заряда конденсатора).
Устройство функционирует следующим образом.
Устройство работает следующим образом. Накладываются измерительные электроды 4 на участки тела (обычно на дистальные фаланги указательного и среднего пальца ведущей руки).
Измерение сопротивления ведется при попеременном прикладывании напряжения различной полярности.
Сначала «пины» 4, 6 и 2 микроконтроллера 1 переводятся в режим «входа» как не участвующие в данном полуцикле измерения.
«Пины» 1, 5 и 3 переводятся в режим «выхода» и на них подается логический «0». Далее следует временная задержка длительностью 2-3 мсек для разрядки конденсатора 2 за счет соединения его с логическим «0».
«Пин» 3 переводится в режим «входа» и одновременно на «пин» 5 подается логическая «1» (прикладывается напряжение к измерительным электродам).
Далее запускается таймер и определяется время изменения состояния «пина» 2 с логического «0» на логическую «1» при прохождении тока через резистор 3.
Данное время зависит от электрического сопротивления. При этом значение сопротивления рассчитывается по заранее выведенной формуле, полученной при изучении зависимости при измерении калибровочных сопротивлений.
«Пины» 1, 5 и 3 переводятся в режим «выхода» и на них подается логический «0».
Далее следует полуцикл измерения со меной полярности прикладываемого на измерительные электроды напряжения.
«Пины» 1, 3 и 5 переводятся в режим «входа» как не участвующие в данном полуцикле измерения.
«Пины» 4, 6 и 3 переводятся в режим «выхода» и на них подается логический «0». Далее следует временная задержка длительностью 2-3 мсек для разрядки конденсатора за счет соединения его с логическим «0».
«Пин» 4 переводится в режим «входа» и одновременно на «пин» 2 подается логическая «1» (прикладывается напряжение с противоположным знаком к измерительным электродам).
Далее запускается таймер и определяется время изменения состояния «пина» 4 с логического «0» на логическую «1».
Данное время зависит от электрического сопротивления.
«Пины» 4, 6 и 3 переводятся в режим «выхода» и на них подается логический «0».
Далее цикл измерения повторяется со сменой полярности прикладываемого на измерительные электроды напряжения в полуциклах измерения.
В интервалы времени, заданные алгоритмом производится отправка данных через интерфейс сопряжения 5 на персональный компьютер или мобильное устройство (смартфон).
Для повышения точности измерения напряжение к измерительным электродам подается через управляемые от дополнительных цифровых «пинов» высокоточные регуляторы напряжения 6. Аналогично происходит оценка достижения логической «1» на цифровом «пине» путем применения управляемых от дополнительных цифровых «пинов» высокоточных регуляторов напряжения 7 с малым перепадом напряжения с фиксированным напряжением выхода, соответствующим напряжению логической «1». При этом на цифровой «7 пин» подается логическая «1» и происходит включение высокоточного регулятора напряжения 6, включается отсчет таймера микроконтроллера 1 и подача напряжения к измерительным электродам 4, одновременно для измерения состояния входа цифрового «4 пина» также производится включение высокоточного регулятора напряжения 7 подачей логической «1» на «8 пин» с малым перепадом напряжения с фиксированным напряжением, соответствующим уровню логической «1», при этом на его вход подается напряжение, снимаемое с заряжаемого конденсатора и в момент превышения минимального входного напряжения на выходе регулятора формируется стабильное напряжение, соответствующее логической «1», что фиксируется на «4 пине» и завершается измерение временного интервала. Следующий полуцикл измерения осуществляется аналогично при зеркальном подключении дополнительных высокоточных регуляторов напряжения к дополнительным «пинам» для смены полярности прикладываемого к измерительным электродам напряжения.
Практическое использование устройства подтвердило возможность достижения заявленных характеристик, техническую реализуемость, простоту, надежность и доступность использования.