УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИМПЕДАНСА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
DEVICE TO MEASURE BIOLOGICAL FABRIC IMPEDANCE

Изобретение относится к биофизике и медицинской технике и может быть использовано для малоинвазивной диагностики очаговых образований и заболеваний внутренних органов.
Известны устройства, измеряющие активную и емкостную составляющие импеданса биологических тканей (Ефремов А.В. и др. Устройство для измерения активной и емкостной составляющих импеданса биологических тканей // Пат. 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 блока и к большему повреждению ткани при вводе электродов, 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.
Второе устройство (Фролов С.С. и др. Устройство для измерения активной и емкостной составляющих импеданса небных миндалин // Заявка на изобретение №2006109298 от 23.03.2006 г., А61В 5/00) имеет более сложную схему. Основными его блоками являются: генератор импульсов, входное устройство, синхронный демодулятор, усилитель постоянного тока. Для формирования синусоидального измерительного сигнала используется нелинейный преобразователь линейно изменяющегося напряжения в синусоидальное. Принцип действия данного устройства также основан на детектировании разности фаз и соотношения амплитуд тока и напряжения в биологической ткани, следовательно, данное устройство, также как и первое, плохо приспособлено для измерения различающихся на 2-3 порядка составляющих импеданса биологических тканей.
Альтернативой фазочувствительному способу измерения составляющих комплексного сопротивления может служить способ, основанный на измерении составляющих импеданса независимо друг от друга за счет исключения зависимости измеряемой величины от другой составляющей импеданса с помощью специального функционального преобразования (Папоян, С.П. Способ измерения составляющих комплексного сопротивления // Изв. вузов. Приборостроение. - 1988. Т. 31. №5. С.55-57). Однако схема, предложенная авторами данного способа, не позволяет получить требуемую точность в широком диапазоне изменения активной и реактивной составляющей измеряемого сопротивления.
Общим недостатком рассмотренных устройств является зависимость показаний прибора от конфигурации применяемых электродов, что затрудняет сравнение измерений, проводимых в тканях различных органов. Применение же унифицированных электродов по причине существенного различия структуры, формы и размеров органов невозможно.
Важной особенностью живой биологической ткани по сравнению с техническим объектом является невозможность четко зафиксировать ее положение в связи с дыханием и сердцебиением. Существенное влияние на динамическую погрешность измерения оказывает постоянная времени фильтра преобразователя средневыпрямленного значения.
Целью настоящего изобретения является:
- создание устройства для измерения с повышенной точностью активной и емкостной составляющих импеданса биологических тканей в широком диапазоне частот с расширенным рабочим диапазоном каждой составляющей,
- уменьшение динамической погрешности, вызванной инерционностью фильтра преобразователя средневыпрямленного значения,
- обеспечение независимости результатов измерения от конфигурации электродов.
Достижение первой цели достигается введением дополнительных плеч измерительной схемы с различными номиналами элементов, одним концом подсоединенных к одному из электродов, а другим - к электронному коммутатору, через который подается синусоидальный сигнал от генератора.
Данное решение позволяет измерять составляющие импеданса биологических тканей, различающиеся на несколько порядков.
Уменьшение динамической погрешности достигается введением цифрового трансверсального фильтра. Цифровой фильтр производит оптимальную обработку переходного процесса преобразователя средневыпрямленного значения 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 его адаптация. Кроме того, введено цифровое устройство управления и обработки информации, которое в соответствии с кривой переходного процесса преобразователя осуществляет синтез коэффициентов оптимального цифрового фильтра известным методом зеркального отражения обрабатываемого сигнала.
Обеспечение независимости результатов измерения от конфигурации электродов достигается введением в устройство управления и обработки информации функции расчета удельных значений измеряемого импеданса с помощью математической модели распределения электрического поля в ткани при заданной пользователем конфигурации электродов. Использование удельных, а не абсолютных, значений импеданса позволяет легко сопоставлять результаты измерений, проведенных с использованием различных электродов, в том числе и нестандартных, без дополнительных исследований. Кроме того, вычислительный блок обеспечивает временную и статистическую обработку множества измерений и вычисления различных, в том числе и интегральных, характеристик, являющихся функцией времени измерения и значений составляющих импеданса на различных частотах, например коэффициент, характеризующий крутизну дисперсии электропроводности, и параметры диаграммы Коула-Коула («координаты» центра и радиус) и выдачу результатов измерения в обработанном виде на индикатор.
Сущность изобретения поясняется функциональной схемой, представленной на чертеже.
Устройство содержит синусоидальный генератор 1 с регулируемой частотой выходного сигнала, электронный коммутатор 2, вход которого соединен с выходом генератора 1, а выходы - с входами измерительного блока 3, состоящего из плеч, представляющих собой делители из последовательно включенных двух резисторов или двух конденсаторов, выходы которых объединены и подключены к первому измерительному электроду 4, входы, объединенные выходы и средние точки плеч подключены к входу аналогового мультиплексора 5, а второй электрод 4 подсоединен к общей шине устройства, включенные последовательно широкополосный усилитель 6, вход которого соединен с выходом аналогового мультиплексора 5, преобразователь средневыпрямленного значения 7 с перестраиваемой постоянной времени, аналого-цифровой преобразователь 8, трансверсальный цифровой фильтр 9, снабженный цифровым вычислительным устройством блок управления и обработки информации 10, выходы которого соединены с входом управления частотой генератора 1, селекторными входами электронного коммутатора 2 и аналогового мультиплексора 5, входом управления постоянной времени преобразователя средневыпрямленного значения 7, входом управления цифровым фильтром 9 и входом индикатора 11, кроме того, на вход блока управления и обработки информации 10 подается сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя 8 и трансверсального цифрового фильтра 9.
Устройство работает следующим образом. Электроды 4 вводят в ткань. Блок управления и обработки информации 10 в соответствии с указаниями пользователя определяет порядок работы устройства, задавая частоты, на которых следует проводить измерения в определенный момент времени. Блок управления и обработки информации 10 устанавливает частоту выходного сигнала синусоидального генератора 1, поступающего на вход электронного коммутатора 2. Электронный коммутатор 2 коммутирует входной сигнал на одно из плеч измерительного блока 3, выбираемое в соответствии с управляющими сигналами блока управления и обработки информации 10 в зависимости от типа измеряемой составляющей импеданса (активной или емкостной) и рабочего диапазона. В цепи синусоидальный генератор 1 - электронный коммутатор 2 - последовательно включенные резисторы или конденсаторы плеча измерительного блока 3 - электроды 4 - биологическая ткань - общая шина питания начинает протекать ток. Значения напряжений в узлах включенного в работу плеча измерительного блока 3 снимаются мультиплексором 5 и коммутируются на вход широкополосного усилителя 6. С выхода усилителя переменный синусоидальный сигнал поступает на вход преобразователя средневыпрямленного значения напряжения 7, выполняющего детектирование средневыпрямленного значения напряжения синусоидального сигнала. Далее сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, где производится оцифровка сигнала. Дальнейшая обработка сигнала ведется в цифровом виде. С выхода АЦП 8 цифровой сигнал подается на трансверсальный цифровой фильтр 9, где производится оптимальная обработка переходного процесса преобразователя 7 с целью определения установившегося значения выходного сигнала по начальному характеру процесса до выхода на режим. Так как параметры переходного процесса преобразователя 7 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 9. При этом цифровой фильтр 9 работает в амплитудном режиме (сигнал проходит транзитом, не изменяясь), блок управления и обработки информации 10 в соответствии с кривой переходного процесса преобразователя 7 осуществляет синтез коэффициентов оптимального цифрового фильтра 9 известным методом зеркального отражения обрабатываемого сигнала.
Кроме того, блок управления и обработки информации 10 выполняет статистическую обработку результатов множества измерений с определением статистических величин, таких как математическое ожидание, дисперсия, статистические моменты и т. д., а также различных характеристик являющихся функциями результатов измерений, например коэффициент, характеризующий крутизну дисперсии электропроводности, и параметры круговой диаграммы Коула-Коула, аппроксимируя ее окружностью методом наименьших квадратов. Блок управления и обработки информации 10 осуществляет определение удельных значений измеряемого импеданса с помощью математической модели распределения электрического поля в ткани при заданной пользователем конфигурации электродов.
Цифровой фильтр 9 и блок управления и обработки информации 10 могут быть реализованы с использованием одного микроконтроллера. Возможна реализация цифрового фильтра и преобразователя средневыпрямленного значения на базе сигнального процессора.
Результаты измерений, статистической и функциональной обработки выводятся на индикатор 11.
Пример. При проведении измерений импеданса ткани печени крысы линии Vistar массой 200 г получено абсолютное значение активной составляющей импеданса биологической ткани 1316 Ом при использовании электродов в виде двух игл диаметром 0,4 мм с расстоянием между ними 10 мм и открытым участком проводящей поверхности длиной 3 мм. Блок управления и обработки информации 10 производит решение уравнений электрического поля методом конечных элементов с граничными условиями, соответствующими конфигурации проводящих поверхностей электродов, в результате которого блок управления и обработки информации 10 определяет, что удельное значение активной составляющей импеданса составляет 4,67 Ом·м.
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 обеспечивает повышенную точность при измерении импеданса биологической ткани за счет сокращения времени измерения при сохранении заданной инструментальной погрешности за счет введения цифрового фильтра, осуществляющего оптимальную обработку сигнала переходного процесса, и статистической обработки множества измерений с целью снижения случайной погрешности, обусловленной вызванными дыханием и сердцебиением колебаниями ткани. 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. Особым преимуществом с точки зрения пользователя является возможность вывода результатов измерения и обработанных данных на индикатор и передачи их в электронную вычислительную систему для дальнейшей обработки.