УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
DIAGNOSTIC UNIT FOR BIOLOGICAL OBJECT STATE

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для измерения электрических параметров с целью диагностики состояния различных биологических объектов (ткани, органы, биологические жидкости и др.).
Одним из аналогов заявляемого технического решения является устройство, описанное в изобретении «Устройство для диагностики состояния биологических объектов» (патент RU 2123184 C1, опубл. 10.12.98).
Аналог содержит следующие признаки, общие с заявляемым устройством: источник стабилизированного тока, схему управления, кнопки "Пуск" и "Опрос", ключ, измеритель временных интервалов, два пороговых элемента, устройство записи и считывания информации, блок памяти, формирователь энергетических уровней, токовый корректор, зонд, первый и второй участок цепи. Зонд содержит электрохимический датчик с двумя плоскопараллельными электродами, один из которых соединен с первым, а другой со вторым участком цепи.
Источник стабилизированного тока соединен первым выходом с общей шиной, вторым выходом с первым входом ключа, выход которого подключен к первым входам первого и второго порогового элемента.
Первый вход схемы управления подключен к кнопке "Пуск", первый выход - ко второму входу ключа, второй выход - ко второму входу измерителя временных интервалов, выход первого порогового элемента подключен к первому входу измерителя временных интервалов, выход второго порогового элемента соединен с третьим входом измерителя временных интервалов и вторым входом схемы управления.
Первый вход устройства записи и считывания информации подключен к кнопке "Опрос", второй - к третьему выходу схемы управления, а выход соединен с первым входом блока памяти, связанному информационными шинами с информационными выходами-входами измерителя временных интервалов.
Первый выход формирователя энергетических уровней соединен со входом источника стабилизированного тока и вторыми входами первого и второго пороговых элементов. Второй вход формирователя энергетических уровней соединен с четвертым выходом схемы управления.
Выход токового корректора соединен с первым входом формирователя энергетических уровней.
Недостатком устройства-аналога является то, что при измерении на последующих энергетических уровнях после первого не учитывается начальное состояние системы электрод-биообъект-электрод, что понижает точность измерений.
Наиболее близким по технической сущности, т.е. прототипом, является "Устройство для диагностики состояния биологических объектов" (патент RU 2338461 C2, опубл. 10.03.2008).
Общими признаками прототипа и заявляемого устройства являются: источник стабилизированного тока, схема управления, кнопки "Пуск" и "Опрос", ключ, измеритель временных интервалов, три пороговых элемента, устройство записи и считывания информации, блок памяти, формирователь энергетических уровней, токовый корректор, коммутатор, зонд с двумя электродами, один из которых соединен с первым, а другой со вторым участком цепи.
Источник стабилизированного тока соединен первым выходом с общей шиной, вторым выходом с первым входом ключа, выход которого подключен к первым входам первого и второго порогового элемента.
Первый вход схемы управления подключен к кнопке "Пуск", первый выход - ко второму входу ключа, второй выход - ко второму входу измерителя временных интервалов.
Выход первого порогового элемента подключен к первому входу измерителя временных интервалов, выход второго порогового элемента соединен с третьим входом измерителя временных интервалов и вторым входом схемы управления.
Первый вход устройства записи и считывания информации подключен к кнопке "Опрос", второй - к третьему выходу схемы управления, а выход соединен с первым входом блока памяти, связанному информационными шинами с информационными выходами-входами измерителя временных интервалов.
Первый выход формирователя энергетических уровней соединен со входом источника стабилизированного тока и вторыми входами первого и второго пороговых элементов, второй вход формирователя энергетических уровней соединен с четвертым выходом схемы управления.
Выход токового корректора соединен с первым входом формирователя энергетических уровней.
Третий пороговый элемент, подключен выходом к третьему входу схемы управления, вторым входом к общей шине.
Первый выход коммутатора подключен к первому участку цепи, второй выход - ко второму участку цепи, первый и четвертый вход - к общей шине, а второй и третий входы соединены с первым входом первого порогового элемента, пятый вход - с пятым выходом схемы управления.
Недостатком устройства-прототипа является то, что при измерении не учитывается влияние шумов на определение начального состояния системы электрод-биообъект-электрод, что понижает точность измерений.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности измерений за счет введения фильтра для очистки сигнала межэлектродного напряжения от шумов.
Для достижения технического результата в устройстве для диагностики состояния биологических объектов, содержащем источник стабилизированного тока, схему управления, кнопки "Пуск" и "Опрос", ключ, измеритель временных интервалов, три пороговых элемента, устройство записи и считывания информации, блок памяти, формирователь энергетических уровней, токовый корректор, коммутатор, зонд с двумя электродами, один из которых соединен с первым, а другой со вторым участком цепи, при этом источник стабилизированного тока соединен первым выходом с общей шиной, вторым выходом с первым входом ключа, выход которого подключен к первым входам первого и второго порогового элемента; первый вход схемы управления подключен к кнопке "Пуск", первый выход - ко второму входу ключа, второй выход - ко второму входу измерителя временных интервалов; выход первого порогового элемента подключен к первому входу измерителя временных интервалов, выход второго порогового элемента соединен с третьим входом измерителя временных интервалов и вторым входом схемы управления; первый вход устройства записи и считывания информации подключен к кнопке "Опрос", второй - к третьему выходу схемы управления, а выход соединен с первым входом блока памяти, связанному информационными шинами с информационными выходами-входами измерителя временных интервалов; первый выход формирователя энергетических уровней соединен со входом источника стабилизированного тока и вторыми входами первого и второго пороговых элементов, второй вход формирователя энергетических уровней соединен с четвертым выходом схемы управления, выход токового корректора соединен с первым входом формирователя энергетических уровней; третий пороговый элемент, подключен выходом к третьему входу схемы управления, вторым входом к общей шине, при этом первый выход коммутатора подключен к первому участку цепи, второй выход - ко второму участку цепи, первый и четвертый вход - к общей шине, а второй и третий входы соединены с первым входом первого порогового элемента, пятый вход - с пятым выходом схемы управления, согласно изобретению предусмотрено следующее: оно дополнительно снабжено фильтром, вход которого соединен со вторым и третьим входами коммутатора, а выход с первым входом третьего порогового элемента.
Новые отличительный функциональный блок: фильтр.
Новые отличительные связи: вход фильтра соединен со вторым и третьим входами коммутатора, а выход с первым входом третьего порогового элемента.
Введение фильтра, который соединен входом и выходом с другими функциональными блоками и элементами, позволяет в заявляемом устройстве осуществить очистку сигнала межэлектродного напряжения от шумов, что приводит к уменьшению погрешностей и, следовательно, повышает точность измерений.
Совокупность отличительных признаков заявляемого устройства не обнаружена из патентной и научно-технической информации.
Устройство поясняется описанием и чертежами.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства для диагностики состояния биологических объектов; на фиг.2 - график изменения потенциала от времени при подаче напряжения от нижнего до верхнего значения на каждом энергетическом уровне для зашумленного и отфильтрованного сигналов; на фиг.3 - графики участка зашумленного и отфильтрованного сигналов.
На фиг.1 обозначено следующее:
1 - схема управления;
2 - источник стабилизированного тока;
3 - ключ;
4 - измеритель временных интервалов;
5 - первый пороговый элемент;
6 - второй пороговый элемент;
7 - устройство записи и считывания информации;
8 - блок памяти;
9 - формирователь энергетических уровней;
10 - зонд, содержащий первый и второй электроды;
11 - 1-й участок цепи;
12 - 2-й участок цепи;
13 - токовый корректор;
14 - коммутатор;
15 - третий пороговый элемент;
16 - фильтр;
а также кнопки "Пуск" и "Опрос".
При этом источник стабилизированного тока 2 соединен первым выходом с общей шиной, вторым выходом с первым входом ключа 3, выход которого подключен к первому входу первого порогового элемента 5, к первому входу второго порогового элемента 6, ко входу фильтра 16 и ко второму и третьему входам коммутатора 14, который через первый участок цепи 11 подключен первым выходом к первому электроду зонда 10, вторым выходом через второй участок цепи 12 ко второму электроду зонда 10. Первый и четвертый входы коммутатора 14 соединены с общей шиной, пятый вход коммутатора 14 подключен к пятому выходу схемы управления 1, первый вход схемы управления 1 соединен с кнопкой "Пуск", четвертый выход схемы управления 1 подключен ко второму входу формирователя энергетических уровней 9, к первому входу формирователя энергетических уровней 9 подключен выход токового корректора 13. Первый выход формирователя энергетических уровней 9 соединен со входом источника стабилизированного тока 2 и со вторыми входами первого порогового элемента 5 и второго порогового элемента 6, причем выход первого порогового элемента 5 соединен с первым входом измерителя временных интервалов 4, выход второго порогового элемента 6 подключен к третьему входу измерителя временных интервалов 4 и ко второму входу схемы управления 1; первый выход схемы управления 1 подключен ко второму входу ключа 3, а второй выход схемы управления 1 подключен ко второму входу измерителя временных интервалов 4; второй вход третьего порогового элемента 15 соединен с общей шиной, а его первый вход подключен к выходу фильтра 16, выход третьего порогового элемента 15 соединен с третьем входом схемы управления 1, а измеритель временных интервалов 4 соединен информационными шинами с блоком памяти 8, к первому же входу блока памяти 8 подключен выход устройства записи и считывания информации 7, а ко второму входу устройства записи и считывания информации подключен третий выход схемы управления 1; к первому входу устройства записи и считывания информации подключена кнопка "Опрос".
Работа устройства осуществляется следующим образом. В системе электрод-биообъект-электрод при пропускании тока происходит сложная электрохимическая реакция, заключающаяся в изменении концентрации ионосодержащих молекул, т.е. диссоциация. Кроме этого, в межэлектродном пространстве датчика протекает емкостной процесс накопления заряда на двойном электрическом слое, характеризующийся нелинейным нарастанием напряжения, и фарадеевский процесс, характеризующийся линейным изменением напряжения. Оценка состояния биологического объекта осуществляется по значению работы, затрачиваемой на диссоциацию молекул на разных энергетических уровнях. Переключателем токового корректора 13 устанавливают режим соответствующего биологического объекта (ткань, органы, биологические жидкости и др.). При этом токовый корректор 13 выдает сигнал в виде опорного напряжения на вход формирователя энергетических уровней 9. Зонд 10 вводят в исследуемый биологический объект. При нажатии кнопки "Пуск" схема управления 1 обнуляет показания измерителя временных интервалов 4 и вырабатывает команду для формирователя энергетических уровней 9, который в свою очередь формирует на выходе 1, с учетом установки токового корректора 13, напряжение, соответствующее первому энергетическому уровню. Это напряжение подается на регулирующий вход управляемого напряжением источника стабилизированного тока 2 и на входы, формирующие нижний и верхний уровни срабатывания в пороговых элементах 5 и 6.
Со схемы управления 1 включается ключ 3, ток с источника стабилизированного тока 2 поступает через ключ 3 и коммутатор 14 на первый участок цепи 11, зонд 10, второй участок цепи 12, коммутатор 14 и общую шину. При подаче тока на электроды начинается процесс заряда двойного электрического слоя до уровня напряжения, определяемого межэлектродным сопротивлением зонда 10, после чего начинается фарадеевский процесс и скорость изменения напряжения резко снижается. При достижении на зонде 10 напряжения нижнего уровня срабатывает первый пороговый элемент 5, который запускает измеритель временных интервалов 4. При достижении значения напряжения на зонде 10, равного верхнему уровню, срабатывает второй пороговый элемент 6, прекращается отсчет времени измерителем временных интервалов 4. Информация о времени остается на табло измерителя временных интервалов. Выходной сигнал со второго порогового элемента 6 поступает на схему управления 1. В схеме управления 1 формируется импульс, поступающий на устройство записи и считывания информации 7, в котором формируется адресная команда в блок памяти 8, после чего информация, соответствующая времени изменения напряжения от нижнего до верхнего уровня на первом энергетическом уровне, с измерителя временных интервалов 4 записывается в блок памяти 8.
Далее схема управления 1 формирует импульс, который переводит коммутатор 14 во второе состояние (причем начальное состояние такое: вход 3 замкнут на выход 1, вход 1 замкнут на выход 2, а второе состояние: вход 4 замкнут на выход 1, вход 2 замкнут на выход 2). При переключении коммутатора 14 во второе состояние сигнал межэлектродного напряжения проходит через фильтр 16, где очищается от шумов и затем запускает третий пороговый элемент 15, который при достижении значения напряжения на зонде 10, равного напряжению общей шины, т.е. нулю, формирует сигнал для схемы управления 1.
По этому сигналу схема управления 1 подает импульс на обнуление измерителя временных интервалов 4 и на формирователь энергетических уровней 9, который формирует на выходе 1, с учетом токового корректора 13, напряжение, соответствующее следующему энергетическому уровню. Это напряжение подается на регулирующий вход управляемого по напряжению источника стабилизированного тока 2 и на входы, формирующие нижний и верхний уровни срабатывания в пороговых элементах 5 и 6. Управляющим импульсом со схемы управления 1 коммутатор 14 переводится в начальное состояние. Далее работа аналогична описанной выше.
После окончания измерений в блоке памяти 8 находится информация о времени измерения на каждом из энергетических уровней. Опрос информации с блока памяти 8 осуществляет устройство записи и считывания информации 7. После нажатия кнопки "Опрос" на табло измерителя временных интервалов 4 высвечивается значение времени изменения напряжения от нижнего до верхнего уровня на первом энергетическом уровне. При n-ом нажатии кнопки "Опрос" высвечиваются показания для n-го энергетического уровня.
На фиг.2 представлена характеристика изменения напряжения от времени, снимаемого с зонда на разных энергетических уровнях.
Цифрой 1 отмечен график зашумленного сигнала, характерного для прототипа, цифрой 2 - график отфильтрованного сигнала, характерного для предлагаемого устройства.
1
1
2
2
n
n
С помощью токового корректора 13 для исследуемого объекта устанавливается ток
первого энергетического уровня, при котором наблюдается близкий к линейному участок А-B, характеристики для
и
. При подаче на зонд стабилизированного тока
, на других энергетических уровнях близкие к линейным участки А-В, …, A-B формируются автоматически при изменениях амплитуд тока,
, …,
.
При заданных нижних
и верхних
пороговых значениях напряжений, с учетом допущения о линейности изменения напряжения на участках между
и
можно определить среднее значение
на каждом из энергетических уровней:
n
Отсчет времени начинается с момента
(при достижении значения напряжения
) и заканчивается в момент времени
(при достижении значения напряжения
). Временной интервал t (от
до
) фиксирует время изменения напряжения от
до
.
В результате с учетом выражения (1) можно определить работу, затрачиваемую на диссоциацию молекул биологического объекта, заключенного в межэлектродном пространстве на разных энергетических уровнях (8-10 уровней) по формуле
где:
n - номер энергетического уровня;
n
I - ток на соответствующем энергетическом уровне;
n
t - значение времени изменения напряжения от нижнего до верхнего уровня на n-ом энергетическом уровне;
- среднее значение напряжения на n-ом энергетическом уровне.
Значения токов и напряжений для каждого из энергетических уровней с учетом коррекции определены конструктивно, относительно первого энергетического уровня и могут быть вычислены по формулам
где:
K - коэффициент коррекции тока;
- значение тока на первом энергетическом уровне при значении K=1;
- нижнее значение напряжения на первом энергетическом уровне;
- верхнее значение напряжения на первом энергетическом уровне.
При подстановке (3) в (2) и с учетом (1) после упрощения получаем:
,
n
,
,
регулируются и калибруются при настройке прибора, поэтому их значения известны. Величина K устанавливается и определяется положением переключателя токового корректора 13, n- определяется количеством нажатий на кнопку "Опрос". С учетом этих значений и показаний измерителя временных интервалов t определяется работа, затрачиваемая на диссоциацию молекул биологического объекта на разных энергетических уровнях.
На фиг.3 показаны графики участка зашумленного и отфильтрованного сигналов. При зашумленном сигнале срабатывание третьего порогового элемента 15 может произойти прежде, чем значения напряжения достигнет нуля из-за скачка амплитуды зашумленного сигнала (на фиг.3 время срабатывания третьего порогового элемента соответствует
). При применении предлагаемого устройства сигнал отфильтровывается от шумов, что снижает погрешность срабатывания третьего порогового элемента 15 и, тем самым увеличивает точность измерения (на фиг.3 время срабатывания третьего порогового элемента соответствует
).
Работа А измеряется в джоулях. По величине работы судят о состоянии биологического объекта, сравнивая полученные значения с предыдущими. Патология сопровождается увеличением концентрации ионосодержащих молекул в биологическом объекте. Как следствие, работа, затрачиваемая на диссоциацию молекул увеличивается.
Заявляемое устройство выполнено на известной элементной базе и рассчитано на работу с двухэлектродными датчиками разной конструкции в зависимости от вида биологического объекта.
Зонд может содержать датчик с двумя плоскопараллельными электродами, выполненными из серебра. Электроды могут быть выполнены в виде щупов.
Изготовлен опытный образец прибора, технические испытания которого дали положительные результаты.
Предлагаемое устройство позволяет с более высокой точностью, по сравнению с прототипом, производить измерения электрических потенциалов (погрешность прототипа ±0,02В, погрешность предлагаемого устройства - ±0,003В).