МНОГОЧАСТОТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ БИОИМПЕДАНСА
MULTIFREQUENCY BIOIMPEDANCE METRE

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для измерения комплексного электрического сопротивления биотканей и биожидкостей, например крови, которое несет в себе важное диагностическое значение.
Известен биоимпедансный анализатор, содержащий генератор переменного тока, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым токовыми входами блока коммутации соответственно, с 1-го по М-й токовые выходы которого соединены с 1-го по М-й токовыми электродами соответственно, с 1-го по N-й потенциальные входы блока коммутации соединены с 1-го по N-й потенциальными электродами соответственно, а первый и второй потенциальные выходы соединены с первым и вторым входами первого детектора соответственно, выход которого через аналого-цифровой преобразователь соединен со входом блока обработки и индикации, первый выход которого соединен с входом управления блока коммутации (Патент РФ №1826864, 29.04.90, A61B 5/05).
Недостатком этого известного устройства является невозможность выделения активной и реактивной составляющих импеданса, что приводит к снижению достоверности анализа.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является биоимпедансный анализатор, который содержит генератор переменного тока, блок коммутации, токовые электроды (3-1…3-М), соответственно, потенциальные электроды (4-1…4-N), первый детектор, аналого-цифровой преобразователь, блок обработки и индикации, второй детектор. Для обеспечения измерения активной и реактивной составляющих импеданса детекторы выполнены синхронными, а генератор переменного тока выполнен с возможностью формирования на своих первом и втором выходах синхронизации периодических импульсных последовательностей, различающихся по фазе на половину периода (Патент РФ №57578, 21.06.06, A61B 5/05).
Недостатком этого устройства является низкая чувствительность определения динамической составляющей биоимпеданса, связанная с отсутствием возможности компенсации базовой составляющей комплексного электрического сопротивления. Использование фиксированных частот и набора фильтров низкой частоты с фиксированными параметрами в известном устройстве не позволяет выделить информативное пространство достаточной мерности, позволяющее синтезировать решающие правила для идентификации патологий, вызывающих изменение биохимического состава биологических тканей и жидкостей.
Задачей изобретения является обеспечение высокой чувствительности при регистрации динамической составляющей биоимпеданса путем компенсации постоянной (базовой) составляющей, а также обеспечение возможности работы устройства в широком диапазоне частот, что повысит информативность и точность проводимых измерений. Использование перестраиваемых фильтров с управлением от микроконтроллера, а также управление током воздействия на биообъект является отличительными особенностями предлагаемого устройства, которые повышают точность проводимых измерений.
Для достижения поставленной цели в многочастотный измеритель биоимпеданса, содержащий последовательно соединенные измерительные электроды, инструментальный усилитель, блок детекторов, блок управляемых фильтров, второй вход которого подключен ко второму выходу блока детекторов, микроконтроллер, второй вход которого подключен ко второму выходу блока управляемых фильтров, а третий и четвертый выходы микроконтроллера - к третьему и четвертому входам блока управляемых фильтров, и блок генераторов, второй вход которого подключен к второму выходу микроконтроллера, а два выхода соединены соответственно со вторым и третьим входами блока детекторов, а также блок связи с ПЭВМ, подключенный к пятому выходу микроконтроллера, блок управления, подключенный к третьему его входу, и токовые электроды, дополнительно введены последовательно соединенные программируемый усилитель, первый вход которого соединен с первым выходом блока генераторов, а второй - с шестым выходом микроконтроллера, блок согласования, вторым выходом соединенный с первым токовым электродом, сигнальный резистор, выводы которого соединены с соответствующими входами преобразователя ток-напряжение, второй вход которого соединен со вторым токовым электродом, и выпрямитель, выход которого подключен к четвертому входу микроконтроллера; два цифроаналоговых преобразователя, входы которых подключены к седьмому и восьмому выходам микроконтроллера, а выходы - к четвертому и пятому входам блока детекторов, причем блок детекторов включает два арифметических блока, выполняющих по две арифметические операции: умножение и сложение, при этом сигналы с цифроаналоговых преобразователей подаются на блоки сложения, на вторые входы которых подаются произведения сигналов, поступающих с инструментального усилителя и блока генераторов, а блок генераторов выполнен в виде двух генераторов с программируемой амплитудой, частотой и фазой, синхронизируемых и управляемых от микроконтроллера.
На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства.
На фиг.2 представлена структурная схема блока детекторов.
На фиг.3 представлена структурная схема блока фильтров.
На фиг.4 представлена схема алгоритма работы устройства.
Устройство для многочастотного измерения импеданса, структурная схема которого представлена на фигуре 1, содержит измерительные электроды 1, первый и второй выходы которых подключены к первому и второму входам инструментального усилителя 2, выход которого подключен к первому входу блока детекторов 3, выходы которого подключены к первому и второму входам блока управляемых фильтров 4, выходы которого соответственно соединены с входами 1 и 2 микроконтроллера 5, выходы 1 и 2 которого соединены с первым и вторым входами блока генераторов 6, первый выход которого соединен с первым входом программируемого усилителя 7, а также с входом 2 блока детекторов 3, вход 3 которого соединен со вторым выходом блока генераторов 6. Выход 6 микроконтроллера 5 соединен со вторым входом программируемого усилителя 7, выход которого соединен с входом блока согласования 8, первый выход которого соединен с первым выводом сигнального резистора 9, а также с первым входом преобразователя ток-напряжение 10, второй вход которого соединен со вторым выводом сигнального резистора 9, а также со вторым входом блока токовых электродов 11, первый вход которого соединен со вторым выходом блока согласования 8. Выход блока преобразователя ток-напряжение 10 соединен с входом блока выпрямителя 12, выход которого соединен с четвертым входом микроконтроллера 5, третий вход которого соединен с блоком управления 13, причем выход 3 микроконтроллера 5 соединен с входом 3 блока управляемых фильтров 4, вход 4 которого соединен с выходом 4 микроконтроллера 5, выход 7 которого соединен с входом блока первого цифроаналогового преобразователя 14, выход которого соединен с входом 4 блока детекторов 3, вход 5 которого соединен с выходом блока второго цифроаналогового преобразователя 15, вход которого соединен с выходом 8 микроконтроллера 5, выход 5 которого соединен с блоком связи с ПЭВМ 16.
Блок детекторов, представленный на фигуре 2, состоит из двух арифметических блоков, например AD633 фирмы Analog Devices, выполняющих по две арифметические операции: умножение и сложение, при этом сигналы с цифроаналоговых преобразователей подаются на блоки сложения (выв. Z1 и Z2), на вторые входы которых подаются произведения сигналов, поступающих с инструментального усилителя (выв. X1) и блока генераторов (выв. Y1 и Y2). При этом значение сигнала на выходах блока (выв. W1 и W2) вычисляется по следующей формуле:
,
Выходы арифметических блоков подключены к первому и второму входам блока управляемых фильтров, структурная схема которого представлена на фигуре 3.
Блок управляемых фильтров состоит из двух управляемых фильтров, например MAX 291 фирмы MAXIM, причем частота среза пропорционально зависит от частоты сигнала, подаваемого на управляющий тактовый вход. Таким образом, изменяя частоту управляющего сигнала, можно изменить частоту среза фильтра в пределах от 0.1 Гц до 25 кГц. Входы 1 и 2 соединены с выходом 1 и 2 блока детекторов 3 соответственно. Входы 3 и 4 являются входами управления и соединены с выходами 3 и 4 микроконтроллера 5 соответственно. Выходы 1 и 2 блока фильтров соединены с входами 1 и 2 микроконтроллера 5, которые являются входами встроенных в микроконтроллер 5 аналого-цифровых преобразователей, достаточной разрядности для обеспечения необходимой точности оцифровки.
В состав блока генераторов 6 (фиг.1) входят два управляемых генератора синусоидальных сигналов. В данном устройстве могут быть использованы генераторы AD9833 фирмы Analog Devices, которые имеют цифровой интерфейс управления (первый и второй входы блока генераторов 6) и частота задается 28-битной последовательностью, причем:
28
f=ΔPhase×Fmclk/2,
28
где 0<ΔPhase<2 - 1, Fmclk - тактовая частота генератора.
Таким образом, блок генераторов 6 может обеспечить минимальный шаг изменения частоты 0.1 Гц, причем сдвиг фазы между сигналом с первого генератора (первый выход блока генераторов 6) и сигналом со второго генератора блока 6 (второй выход блока генераторов 6) составляет 90°, необходимый для выделения с помощью блока детекторов 3 активной и реактивной составляющих биоимпеданса.
Функционирование устройства определяется последовательностью действий, запрограммированных в микроконтроллере 5 (фиг.1). Схема алгоритма, согласно которому работает микроконтроллер 5, представлена на фиг.4. После включения питания с помощью блока управления 13 (фиг.1) микроконтроллер 5 переходит в режим ожиданий команд с ПЭВМ (блок «Команда управления с ПЭВМ» фиг.4). С помощью специального программного обеспечения, установленного на ПЭВМ, задаются начальная и конечная частоты работы генераторов, шаг частоты и величина зондирующего тока, время измерения. Эти данные по команде оператора передаются в устройство с помощью блока связи с ПЭВМ 16 (фиг.1). После прихода команды управления от ПЭВМ микроконтроллер 5 задает начальные значения частоты и фазы блока генераторов 6, которые были переданы с командой управления от ПЭВМ, также устанавливаются параметры таймеров микроконтроллера, контролирующих общее время измерения, периоды измерения на каждой рабочей частоте, частота управляющего сигнала для блока управляемых фильтров 4, которая задает частоту среза, а также устанавливается минимальный коэффициент усиления для программируемого усилителя 7 для установки тока, воздействующего на биообъект (блок «Задание рабочих параметров устройства», фиг.4). После этого проверяется значение тока в цепи биообъекта с помощью сигнального резистора 9, преобразователя ток-напряжение 10 и выпрямителя 12 (фиг.1). В случае если измеренное значение тока не достигло заданного значения, то коэффициент усиления программируемого усилителя 7 (фиг.1) корректируется (блок «Ток в цепи БО достиг заданного значения?», фиг.4). Далее, после детектирования сигнала, поступающего с инструментально усилителя 2 (фиг.1), с помощью блока детекторов 3 и фильтрации с помощью блока управляемых фильтров 4 (фиг.1) квадратурные сигналы оцифровываются с помощью встроенных в микроконтроллер 5 аналого-цифровых преобразователей и записываются во внутренний буфер, после накопления которого вычисляются средние значения мнимой и действительной части комплексного сопротивления, затем исходя из величины этих значений генерируются компенсационные сигналы с помощью цифроаналоговых преобразователей (блоки 14 и 15 фиг.1), которые поступают на компенсационные входы блока детекторов 3 (блок «Измерение и корректировка постоянной составляющей», фиг.4). При этом микроконтроллер 5 (фиг.1) записывает измеренные значения биоимпеданса, компенсационных уровней и значение частоты блока генераторов 6, на которой производились измерения, во внутренний буфер (блок «Запись данных в буфер», фиг.4), по достижению максимального размера которого (блок «Накоплен буфер для передачи данных», фиг.4) значение измеренного импеданса передается в ПЭВМ (блок «Передача данных в ПЭВМ», фиг.4). При этом производятся замеры импеданса на каждой частоте, начиная с минимальной и заканчивая максимальной, с шагом, заранее установленным оператором в специальном программном обеспечении. Для этого повторяются действия, начиная с блока «Выполнено заданное количество итераций?» и заканчивая блоком «Накоплен буфер для передачи данных» (фиг.4). По достижении заданного режимом работы количества повторов (блок «Выполнено заданное количество итераций?», фиг.4) устройство сообщает об окончании работы (блок «Сигнал об окончании работы», фиг.4) и переходит в режим ожидания команд. С помощью блока управления 13 можно повторить цикл измерений или выключить устройство (блок «Выключить устройство», фиг.4). Полученные от устройства данные анализируются с помощью ПЭВМ и выводятся на дисплей или сохраняются в файл для дальнейшего анализа.
Предлагаемое устройство позволяет неинвазивно измерять комплексное сопротивление биожидкости, например крови, которое несет в себе важное диагностическое значение: возможность выделить информационное пространство, позволяющее синтезировать решающее правило для идентификации патологий, вызывающих изменение биохимического состава биологических тканей и жидкостей, что может найти применение в медицинской практике. Данное устройство обладает лучшей в сравнении с аналогами чувствительностью измерения динамической составляющей импеданса за счет компенсации базовой составляющей, а также имеет возможность работать в многочастотном режиме измерения, что позволяет охватить большее информационное признаковое пространство и облегчает принятие решения в выборе или отсутствии патологии.