СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЕЕ ЭЛЕКТРОФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
METHOD OF MEASURING ELECTRIC PARAMETERS OF BIOLOGICAL TISSUE FOR ESTIMATION OF ITS ELECTROPHYSIOLOGICAL STATE

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для оценки физиологического состояния биологической ткани по ее электрическим параметрам. Изобретение может быть использовано при диагностике и лечении заболеваний человека. Изобретение также может быть использовано в ветеринарии при диагностике заболеваний животных.
Известен способ оценки электрофизиологического состояния биологической ткани, основанный на прямом измерении сопротивления или проводимости ткани с использованием электрической цепи, образованной активным электродом, устанавливаемым на биологически активную поверхность, имеющую малую площадь - точку акупунктуры, и пассивным электродом, устанавливаемым на поверхность базового участка биологической ткани [1]. Измерение электрического сопротивления или проводимости биологической ткани, являющейся теплозависимым нелинейным объектом, требует методов измерения и аппаратуры, обеспечивающих определенность режима измерения и получение в результате объективной информации об электрофизиологическом состоянии объекта. Обеспечение указанной определенности режима измерения зачастую связано с проблемами, поскольку количество энергии, которое рассеивается в объекте в форме теплоты или затрачивается на изменение его энергетического состояния, зависит от параметров самого объекта. В частности, результаты измерений являются зависимыми от того, как подготовлена поверхности кожи для проведения измерений, а именно, от того, насколько кожа смочена физиологическим раствором в области контакта с электродом, а также от ее состояния, в том числе от природной влажности/сухости кожи. При повторных измерениях параметры объекта могут заметно измениться, соответственно по результатам невозможно будет проследить за состоянием биологической ткани в динамике, в частности, во время болезни. Поэтому способы измерения статических параметров, каким является сопротивление биологической ткани, с использованием электрической цепи, образованной активным электродом, устанавливаемым на биологически активную поверхность, имеющую малую площадь (точку акупунктуры), и пассивным электродом [1], устанавливаемым на поверхность базового участка поверхности биологической ткани не позволяют достичь необходимой информативности о состоянии биологической ткани.
Известен способ оценки электрофизиологического состояния биологической ткани [2], согласно которому устанавливают активный и пассивный электроды соответственно на исследуемую точку акупунктуры и поверхность базового участка биологической ткани. Пропускают через электроды импульс тестирующего электрического тока, имеющего амплитуду 5-60 мкА и длительность 10-150 мс. После прекращения воздействия импульса электрически соединяют между собой электроды и измеряют ток переходного процесса в цепи: точка акупунктуры, активный электрод, пассивный электрод, базовый участок биологической ткани. Оценку электрофизиологического состояния биологической ткани проводят по интегральному значению тока переходного процесса, измеренному с момента начала переходного процесса до момента времени, когда значение тока переходного процесса составит 10% от максимального значения.
Информативность данного способа оценки электрофизиологического состояния биологической ткани, основанная на измерении динамических параметров, каким является ток переходного процесса, является большей, чем информативность способа измерения статических параметров биологической ткани. Но все же информативность способа является недостаточной, поскольку результаты измерений продолжают оставаться зависимыми от подготовки поверхности кожи к измерениям и от ее физиологического состояния кожи.
К недостаткам способа необходимо отнести и необходимость использования значительного по величине тока, способного вызвать в биологической ткани морфологические изменения деструктивного характера. Использование же измерительного тока малой величины потребует разработки более сложного и чувствительного устройства для реализации способа, хотя оно и так является достаточно сложным. Причем способ может быть осуществлен только при помощи одного устройства, что в определенной мере сужает возможности его использования [2].
Известен способ оценки электрофизиологического состояния биологической ткани [3], заключающийся в установке на поверхности биологической ткани электропроводящих активного и пассивного электродов, к которым периодически подключают источник электрической энергии, а в паузах между подключениями электроды замыкают накоротко и измеряют электрический ток, протекающий через них, при этом воздействующую на биологическую ткань электрическую мощность увеличивают до значения, при котором электрический ток в паузах примет значение, пропорциональное наперед заданному значению напряжения, измеряют ее мгновенное значение по окончании переходного процесса установления напряжения и оценивают параметры переходного процесса изменения мгновенной мощности.
При критике данного способа необходимо, прежде всего, отметить отсутствие критериев выбора наперед заданного значения напряжения, точнее даже критериев для ограничения этого значения, чтобы в свою очередь ограничить пропорциональный ему ток, в частности для того, чтобы не вызвать в биологической ткани морфологические изменения деструктивного характера.
При необходимости ограничения величины тока информативность способа снижается из-за снижения чувствительности устройства его реализующего.
Кроме того, устройство для осуществления данного способа является еще более сложным, чем устройство, используемое для осуществления способа [2].
Данный способ также может быть реализован только с помощью одного устройства [3].
Сложность реализации приемов способов [2, 3] связана, прежде всего, с необходимостью определения динамических параметров переходного процесса в электрической цепи, включающей сопротивление биологической ткани, хотя именно такой подход позволяет, как уже было отмечено, повысить точность измерений и достичь повышения информативности о состоянии биологической ткани по сравнению со способом прямого измерения сопротивления или проводимости биологической ткани. Однако результаты измерений и соответственно оценка состояния биологической ткани в данном способе, как и в способе [2] продолжают оставаться зависимыми, хотя и в меньшей степени, от степени подготовки кожи к измерениям и от ее физиологического состояния.
За прототип заявляемого способа выбран как наиболее близкий по технической сущности способ измерения электрических параметров биологической ткани [3].
Задачей изобретения является повышение информативности и объективности способа измерения электрических параметров биологической ткани при упрощении реализации приемов способа.
Задача изобретения решается в том случае, когда способ оценки электрофизиологического состояния биологической ткани, согласно которому устанавливают на ее поверхности активный и пассивный электроды, к которым подключают источник электрической энергии, и воздействуют на ткань импульсом электрической мощности, при этом осуществляют замеры электрических параметров, позволяющие дать оценку электрофизиологического состояния биологической ткани, отличается тем, что воздействуют на ткань двумя импульсами электрической мощности заданного значения, непосредственно следующими друг за другом, причем за меньшим импульсом заданной мощности следует импульс большей заданной мощности, осуществляют измерение соответствующих каждому значению заданной мощности электрических параметров биологической ткани и по их отношению оценивают электрофизиологическое состояние биологической ткани.
Поставленная задача решается также в том случае, когда:
- для создания импульсов электрической мощности используют генератор заданной электрической мощности.
Сущность изобретения основана на том, что для оценки состояния электрофизиологического состояния биологической ткани используют отношение электрических параметров, в частности, отношение падений напряжений в цепи, измеренных при воздействии на биологическую ткань различными по величине импульсами электрической мощности. При этом результаты оценки перестают быть зависимыми от того, как подготовлена поверхности кожи для проведения измерений, в частности от того, насколько кожа смочена физиологическим раствором в области контакта с электродом, а также от природной влажности/сухости кожи. Появляется возможность сравнения полученных результатов с эталонными значениями, характерными для здоровой биологической ткани.
Из-за отсутствия необходимости оценки параметров переходного процесса отпадает и необходимость увеличения воздействующей на ткань электрической мощности. Величина используемой при обоих замерах электрической мощности всегда может быть выбрана так, что обеспечивается отсутствие отрицательного термодинамического воздействия на ткань. Таким образом, в биологической ткани полностью исключаются морфологические изменения деструктивного характера.
Необходимым условием для осуществления способа измерения электрических параметров биологической ткани является то, чтобы импульсы мощности были одинаковыми по продолжительности и следовали непосредственно друг за другом, поскольку в противном случае информативность способа и его объективность не могут быть достигнуты, в частности из-за изменения с течением времени энергетического состояния биологической ткани.
Кроме того, необходимо, чтобы за импульсом заданной мощности меньшего значения следовал импульс заданной мощности большего значения, поскольку количество энергии, которое рассеивается в объекте в форме теплоты или затрачивается на изменение его энергетического состояния при воздействии более мощного импульса, может значительно снизить объективность измерений при воздействии более слабого импульса. В результате отношение измеренных электрических параметров не даст достоверной информации об электрофизиологическом состоянии биологической ткани.
Рекомендуется для создания импульсов электрической мощности, использовать импульсный генератор заданной электрической мощности.
Таким образом, при использовании всей совокупности приемов заявляемого способа для оценки электрофизиологического состояния биологической ткани исключается влияние на точность замеров не только состояния кожного покрова, но и рассеяния энергии в виде теплоты или энергии, затрачиваемой на изменение энергетического состояния биологической ткани.
Способ может быть реализован с помощью различных устройств, причем имеющих, весьма простую схему. Причем отношение электрических параметров биологической ткани в принципе можно вычислить и в не автоматическом режиме. Хотя конечно целесообразнее измерения и определение отношения измеренных величин осуществлять в автоматическом режиме. Ниже приведена простейшая схема для реализации способа.
Универсальность и простота реализации приемов способа обусловлены отсутствием необходимости оценки параметров переходного процесса в электрической цепи между электродами, установленными на кожном покрове.
Способ может быть использован для осуществления единовременной оценки электрофизиологического состояния биологической ткани, или же оценка может осуществляться по определенному алгоритму, что позволит проследить динамику изменения электрофизиологического состояния биологической ткани.
Изобретение поясняется схемой осуществления способа:
Схема содержит активный 1 и пассивный 2 измерительные электроды, подключенные к выходам блока коммутации 3. К входам блока коммутации 3, соединенным с входами блока обработки сигналов 4, подключены выходы измерительного генератора заданной электрической мощности (ИГЗМ) 5, при этом управляющие входы блока коммутации 3, блока обработки сигналов 4 и ИГЗМ 5 подключены к выходам блока управления режимами работы 6. К выходу блока обработки сигналов 4 подключен индикатор 7 для отображения информации об отношении падений напряжений при двух различных заданных значениях электрической мощности, задействованных при измерении.
1
2
Участок поверхности биологической ткани (нагрузка) между установленными электродами активным 1 и пассивным 2 с блоком коммутации 3 подключается на определенный интервал времени к измерительному генератору заданной мощности (ИГЗМ) 5, обеспечивающему на сопротивлении нагрузки значение электрической мощности, P=const, затем на такой же интервал времени на сопротивлении нагрузки обеспечивается второе значение электрической мощности, P=const. Значения падений напряжения на нагрузке при заданных значениях постоянной мощности подаются в блок обработки сигналов 4. Их отношение отображается индикатором 7. Длительности импульсов электрической мощности, а также алгоритм обработки получаемых сигналов задаются блоком управления режимами работы 6.
2
2
Для выявления особенностей метода измерения и его особенностей исследовалось два варианта реализации способа с мощностями воздействия 30/60 мкВт и 40/100 мкВт. В таблице приведены замеренные при этом электрические параметры и расчетные значения. В первом случае измерения проводились в одних и тех же точках на сухом и увлажненном кожном покрове, для установления степени зависимости результатов измерения от увлажненности кожного покрова. Первое измерение проводилось при воздействии на кожу импульсом электрической мощности 30 мкВт длительностью 70 мс, второе измерение проводилось при воздействии импульсом электрической мощности 60 мкВт длительностью 70 мс. Импульсы следовали друг за другом. Значения электрической мощности выбраны с учетом того, чтобы не вызвать существенного изменения термодинамического состояния биологической ткани. Во втором случае измерения проводились в разных точках на сухом кожном покрове, для установления степени зависимости результатов измерения от физиологического состояния кожного покрова (нормальное, поврежденное, точка акупунктуры). В третьем случае измерения проводились на линейных объектах - образцовых активных сопротивлениях для сравнения с данными нелинейного объекта (биологическая ткань). Во втором и третьем случае измерительный режим: воздействие электрической мощностью 40 мкВт - 33 мс, воздействие электрической мощностью 100 мкВт - 33 мс. Топология точек акупунктуры и их названия приведены по источнику [4]. Используемые электроды индифферентный в виде цилиндра с площадью поверхности ~20 см (располагается в руке), активный с площадью ~0,4 см.
Таблица 1
Результаты измерения электрических параметров кожного покрова человека, полученные при реализации способа
Измерение
Измеренное падение напряжения на нагрузке при мощности 40(30) мкВт, В
Измеренное падение напряжения на нагрузке при мощности 100(60) мкВт, В
Отношение падений напряжения для значений мощности 40/100(30/60) мкВт
Рассчитанное значение сопротивления при мощности 40(30) мкВт, кОм
Рассчитанное значение сопротивления при мощности 100(60) мкВт, кОм
На лице не в точке акупунктуры (сухой
кожный покров)
(2,45)
(4,10)
(0,60)
(200,1)
(280,2)
На лице не в точке акупунктуры (увлажненный кожный
покров)
(1,22)
(2,05)
(0,60)
(49,6)
(70,0)
Точка Хэ-Гу (Gl4)
4,7
6,6
0,71
552,25
435,6
В месте укуса комара
3,8
5,4
0,70
361
291,6
На предплечье (не в точке
акупунктуры)
3,9
5,3
0,74
380,25
280,9
Таблица 1 (окончание)
На ноге (не в точке акупунктуры)
6,7
9,1
0,74
1122,25
828,1
На образцовом активном сопротивлении типа С2-33
270 КОм
3,30
5,21
0,63
272,25
271,441
На образцовом активном сопротивлении типа С2-33
510 КОм
4,48
7,15
0,63
501,76
511,225
Как следует из полученных результатов измерения:
- для линейных объектов отношение падений напряжения для значений электрической мощности 40/100 мкВт есть величина фиксированная 0,63;
- отношение падений напряжения, отображаемое индикатором 7 не зависит от влажности кожного покрова;
- отношение падений напряжения для значений электрической мощности 40/100 мкВт зависит от состояния кожного покрова и по предварительным данным может изменяться в пределах 0,7-0,74. Причем значение указанного отношения для точек акупунктуры и поврежденных участков кожного покрова меньше, чем для обычных неповрежденных участков.
По полученному значению отношения падений напряжений можно оценить электрофизиологическое состояние биологической ткани, в частности, посредством сравнения со значением отношения падений напряжений, характерным для здоровой ткани. Можно таким образом проводить замеры в течение дня (до и после лечебных процедур) и по полученной информации дать оценку электрофизиологического состояния биологической ткани в динамике.
Источники информации, принятые во внимание
1. Марков Ю.В. Рефлексотерапия в современной медицине. СПб.: Наука, 1992. 182 с.
2. Авторское свидетельство SU 1806724, МПК A61H 39/00, опубликовано 07.04.1993 г.
3. Патент RU 2190994, МПК A61H 39/02, опубликовано 20.10.2002 г.
4. Гаваа Лувсан. Традиционные и современные аспекты восточной рефлексотерапии. М.: Наука, - 1990 г., 587 с.