УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИМПЕДАНСА БИОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД
DEVICE FOR MEASURING IMPEDANCE OF BIOLOGICAL MEDIA

Изобретение относится к биофизике и медицинской технике и может быть использовано для измерения импеданса и фазового угла сдвига тока и напряжения биологических жидкостей и тканей.
Известны устройства, измеряющие активную и емкостную составляющие импеданса биологических тканей (патент на изобретение РФ №2196504, А61В 5/04). Устройство работает по четырехэлектродной схеме и состоит из синусоидального генератора, широкополосного усилителя с автоматической регулировкой усиления для поддерживания измерительного тока заданной амплитуды, фазочувствительного измерителя разности двух напряжений, усилителя постоянного напряжения, блока индикации, а также аналоговых блоков цепей обратной связи и управления. Из схемы устройства следует, что принципом его работы является измерение импеданса по соотношению амплитуд и фаз напряжения и тока в биологической ткани в соответствии с законом Ома для комплексных величин, определяемому фазочувствительным измерителем. Составляющие импеданса находят как действительную и мнимую части комплексного импеданса, выделяемые с использованием синхронного детектирования.
Недостатками устройства являются необходимость применения четырех электродов, что приводит к значительному усложнению конструкции электродного устройства, а также малая приспособленность метода к измерению импеданса биологических тканей. Дело в том, что емкостная составляющая импеданса биологических тканей существенно меньше активной составляющей, поэтому напряжения, подаваемые на фазочувствительный измеритель, имеют незначительный фазовый сдвиг, вследствие чего измеритель вносит большую погрешность из-за фазовых шумов и фона промышленной частоты. При необходимости проводить измерения в широком диапазоне частот эта проблема усугубляется, поскольку затрудняется формирование двух опорных сигналов, сдвинутых на 90°, необходимых для обеспечения синхронного детектирования.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для измерения импеданса биологических тканей, включающее измерительные электроды, синусоидальный генератор, широкополосный усилитель, преобразователь средневыпрямленного значения напряжения, аналого-цифровой преобразователь, блок управления и обработки информации с цифровым вычислительным устройством, трансверсальный цифровой фильтр, электронный коммутатор, измерительный блок, аналоговый мультиплексор, индикатор (патент на изобретение РФ №2366360, МПК А61В 5/053, 2008 - прототип). Устройство работает следующим образом. Электроды вводят в ткань. Блок управления и обработки информации определяет порядок работы устройства, задавая частоты, на которых следует проводить измерения в определенный момент времени. Блок управления и обработки информации устанавливает частоту выходного сигнала синусоидального генератора, электронный коммутатор коммутирует входной сигнал на одно из плеч измерительного блока, выбираемое в соответствии с управляющими сигналами блока управления и обработки. Значения напряжений в узлах включенного в работу плеча измерительного блока снимаются мультиплексором и коммутируются на вход широкополосного усилителя. С выхода усилителя переменный синусоидальный сигнал поступает на вход преобразователя средневыпрямленного значения напряжения, выполняющего детектирование средневыпрямленного значения напряжения синусоидального сигнала. Далее сигнал поступает в аналого-цифровой преобразователь, где производится оцифровка сигнала. Дальнейшая обработка сигнала ведется в цифровом виде. С выхода АЦП цифровой сигнал подается на трансверсальный цифровой фильтр, где производится оптимальная обработка переходного процесса преобразователя с целью определения установившегося значения выходного сигнала по начальному характеру процесса до выхода на режим. Так как параметры переходного процесса преобразователя могут изменяться с течением времени в связи с изменением параметров составляющих его элементов из-за влияния микроклиматических факторов и старения, перед каждым циклом измерений проводится адаптация цифрового фильтра. Блок управления и обработки информации выполняет статистическую обработку результатов множества измерений с определением статистических характеристик, таких как математическое ожидание, дисперсия, статистические моменты и т.д. Устройство позволяет определять удельные значения активной и емкостной составляющих импеданса на основании получаемого методами математического моделирования распределения электрического поля в биологической ткани при заданной конфигурации электродов. Устройство обладает расширенным рабочим диапазоном измеряемых значений импеданса за счет раздельного измерения составляющих импеданса и применения дополнительных плеч измерительной схемы с различными номиналами элементов и расширенным диапазоном рабочих частот за счет введения преобразователя средневыпрямленного значения напряжения, осуществляющего детектирование и сглаживание измерительного сигнала высокой частоты. Устройство позволяет также выполнять вторичную обработку результатов измерений за счет использования мощного цифрового вычислительного устройства в блоке управления и обработки информации со встроенными алгоритмами обработки данных.
Недостатками известного устройства являются:
1. Косвенное измерение величины импеданса, осуществляемое замещением его составляющих с помощью включения различных цепочек в плечах измерительного блока.
2. Низкая помехозащищенность входных элементов аналогового коммутатора и аналогового мультиплексора от наводок сети и промышленных излучений, так как используется синфазное включение измерительных электродов и цепей генератора, мультиплексора и коммутатора (сигнальный провод и земля).
3. Низкая температурная стабильность измерений, вызванная тем, что коммутации входных сигналов производятся до их усиления широкополосным усилителем, при коммутации возможны значительные изменения полезного сигнала, вызванные температурными колебаниями в ключах коммутатора и мультиплексора.
4. Не измеряется фазовый угол сдвига между напряжением и током в биологических средах, который является очень важным параметром при разработке моделей поведения различных жидкостей и тканей.
5. Нет стабилизации тока в цепи измерительных электродов. Из схемы устройства видно, что ток задается величиной напряжения генератора синусоидальных колебаний. Величина тока очень существенна для различных биологических жидкостей, тканей и материала, из которого сделаны электроды.
6. Одноканальность устройства. Невозможно в рамках одного опыта произвести измерения с несколькими биологическими средами при различных внешних условиях.
Целями предлагаемого изобретения являются непосредственное измерение импеданса и фазового угла сдвига биологических жидкостей и тканей, улучшение помехозащищенности и термостабильности измерений, стабилизация тока, проходящего через измерительный электрод, обеспечение возможности одновременного многоканального измерения параметров различных биологических сред.
Поставленные цели достигаются тем, что устройство для измерения импеданса биологических сред, содержащее измерительные электроды, измерительный блок, цифровое вычислительное устройство, аналого-цифровой преобразователь, индикатор, дополнительно снабжено цифроаналоговым преобразователем, подключенным по выходу к генератору фиксированного стабильного тока, связанному с измерительным блоком, который соединен по входам с измерительными электродами, а по выходу - с аналого-цифровым преобразователем, двунаправленная шина которого подключена к цифровому вычислительному устройству, подключенному по двунаправленной шине к цифроаналоговому преобразователю и по однонаправленной шине - к индикатору, а измерительный блок состоит из резисторных полумостов, один из которых является эталонным, а остальные - измерительными, нижние плечи которых являются эталонными сопротивлениями, а верхними плечами являются полные (активные и емкостные) сопротивления между измерительными электродами.
Отличительной особенностью предлагаемого устройства от наиболее близкого технического решения является то, что оно снабжено цифроаналоговым преобразователем, подключенным по выходу к генератору фиксированного стабильного тока, связанному с измерительным блоком, который соединен по входам с измерительными электродами, а по выходу - с аналого-цифровым преобразователем, двунаправленная шина которого подключена к цифровому вычислительному устройству, подключенному по двунаправленной шине к цифроаналоговому преобразователю и по однонаправленной шине - к индикатору, а измерительный блок состоит из резисторных полумостов, один из которых является эталонным, а остальные - измерительными, нижние плечи которых являются эталонными сопротивлениями, а верхними плечами являются полные (активные и емкостные) сопротивления между измерительными электродами.
Цифроаналоговый преобразователь, управляемый цифровым вычислительным устройством, позволяет получить стабильный по частоте и амплитуде синусоидальный сигнал, который является задающим параметром для генератора фиксированного стабильного тока. Последний обеспечивает заданный стабильный ток в измерительных электродах.
Измерительный блок, состоящий из резисторных полумостов, один из которых является эталонным, а остальные - измерительными, подключенными последовательно с измерительными электродами, а все вместе подключенные на входы многоканального скоростного АЦП, позволяет непосредственно сравнивать показания эталонного полумоста с показаниями каждого из измерительных полумостов с их соответствующими измерительными электродами, тем самым непосредственно измерять величины импеданса и фазовых углов сдвига. Эталонный полумост используется как источник величины нулевого импеданса и величины нулевого фазового угла сдвига.
Использование многоканального скоростного АЦП и подключение его входов по дифференциальной схеме позволяет существенно снизить уровень помех и температурную нестабильность, а также отказаться от дополнительного усилителя полезных сигналов.
Применение многоканального АЦП позволяет расширить функциональные возможности устройства, в частности увеличить число измерительных электродов. Это позволяет в рамках одного опыта произвести измерения с несколькими биологическими средами при различных внешних условиях.
Изобретение поясняется чертежом, где показаны измерительные электроды 1, соединенные с входами измерительного блока 2, состоящего из резисторных полумостов 8-9, один из которых является эталонным 8, а остальные - измерительными 9, подключенными последовательно с измерительными электродами 1, а все полумосты подключены на входы многоканального скоростного АЦП 6, при этом измерительный блок 2 связан по входу с генератором фиксированного стабильного тока 3, подключенного на выход цифроаналогового преобразователя 4, управляемого цифровым вычислительным устройством 5, связанным с выходом аналого-цифрового преобразователя 6 и входом индикатора 7.
Цифровое вычислительное устройство 5 координирует работу цифроаналогового преобразователя 4, аналого-цифрового преобразователя 6 и индикатора 7. Цифроаналоговый преобразователь 6 является источником синусоидальных колебаний заданной частоты и амплитуды, необходимых для работы генератора фиксированного стабильного тока 3, определяющего частоту и величину тока, проходящего между измерительными электродами. Измерительные электроды 1 включены в плечи резисторных измерительных полумостов 9, находящихся в измерительном блоке. Кроме измерительных полумостов в блоке имеется резисторный эталонный полумост 8, с помощью которого фиксируется амплитуда напряжения, поступающая на измерительные полумосты 9, и нулевой угол фазового сдвига. Выходы измерительных полумостов 9 и эталонного полумоста 8 включены на дифференциальные входы аналого-цифрового преобразователя 6, связанного с цифровым вычислительным устройством 5, которое управляет работой АЦП и принимает с него оцифрованные данные. Обработанные данные с цифрового вычислительного устройства 5 поступают на индикатор 7, в качестве которого может быть использован дисплей компьютера или печатающее устройство.
Устройство работает следующим образом. После помещения измерительных электродов 1 в биологическую среду включают цифровое вычислительное устройство 5. С его помощью задают либо фиксированную частоту рабочего тока в измерительных электродах 1, либо диапазон частот и шаг движения по частоте, а также задают фиксированную величину тока в измерительных электродах 1, либо его значения на шагах движения по частоте. Задаются номера исследуемых измерительных электродов 1 и время измерения на каждом из них. Заданные параметры обеспечивают работу цифроаналогового преобразователя 4, являющегося генератором синусоидальных колебаний заданной частоты и амплитуды. Последний является задатчиком режимов работы для генератора фиксированного стабильного тока 3, определяющего параметры измерения в измерительных электродах 1. Фиксированный ток заданной частоты поступает на резисторные измерительные полумосты 9 и на эталонный резисторный полумост 8. С выходов всех полумостов измеряемые сигналы поступают на дифференциальные входы многоканального быстродействующего АЦП 6. Переданная с АЦП цифровая информация далее обрабатывается цифровым вычислительным устройством 5, которое по двунаправленным шинам управления, приема и передачи данных осуществляет связь АЦП и ЦАП с остальными блоками устройства.
Обработка информации заключается в отбраковке сбойных точек измерения, случайным образом попавших в массив данных, усреднении во времени точек измерения на коротких отрезках времени. Отбраковка и усреднение точек измерения допустимы, так как общее количество точек измерения по каждому каналу за время измерения составляет от 200 до 500 тысяч точек. В цифровом вычислительном устройстве 5 в полном объеме сохраняются параметры синусоидальных сигналов, полученных с измерительных полумостов и эталонного полумоста. По этим данным вычисляются амплитуды сигналов и углы фазовых сдвигов в текущий момент времени измерения. Поскольку при фиксированном токе в измерительном электроде при изменении величины ее импеданса и фазового угла сдвига будет изменяться величина напряжения, поступающего с измерительного полумоста, а на эталонном полумосте его величина не изменяется, то, сравнивая амплитуды этих сигналов и углы фазовых сдвигов, получаем непосредственно значения импедансов и углов в текущий момент времени измерения. Достаточная чувствительность и разрядность многоканального скоростного АЦП 6 позволяет отказаться от дополнительного усилителя сигналов. Полученные данные в виде таблиц и графиков передаются на индикатор 7, в качестве которого может быть использован дисплей компьютера или печатающее устройство. Программа работы цифрового вычислительного устройства приема и обработки данных полностью автоматизирована, присутствие человека необходимо лишь для подготовки заполнения измерительных ячеек и задания режимов измерения и обработки данных.