Устройство для диагностики состояния биологической ткани

Устройство для диагностики состояния биологической ткани
Полезная модель относится к медицине и медицинской технике, а именно к устройствам для измерения электрических характеристик биологических объектов, и может быть использована при проведении функциональной диагностики состояния здоровых и больных тканей биологических объектов методом сравнительной импедансометрии для определения границы поражения ткани, например, у больных гангренами нижних конечностей.
Известно устройство для измерения электрических характеристик биологического объекта, включающее управляемый генератор с одним выходом и входом, по крайней мере, один токовый и индифферентный электроды, блок детекторов и систему управления и отображения, аналоговый коммутатор с двумя выходами и входом, соединенным с выходом управляемого генератора. При этом блок детекторов выполнен в виде двух амплитудных детекторов, имеющих по одному цифровому выходу и аналоговые входы, соединенные соответственно с одним из выходов аналогового коммутатора, а аналоговые выходы - с по крайней мере одним токовым электродом, причем система управления и отображения выполнена в виде микропрограммного контроллера с цепями управления аналоговым коммутатором и с цепями обмена данными с управляющей ПЭВМ, с двумя цифровыми шинами, каждая из которых подключена к одному из амплитудных детекторов через их цифровые выходы, и входом и выходом, первый из которых подключен к индифферентному электроду, а второй - к входу управляемого генератора. Амплитудные детекторы выполнены в виде полупроводниковых диодов, а аналоговые коммутаторы - в виде интегральных коммутаторов КМОП-технологии. Управляемый генератор стандартных импульсов выполнен с управляемым формирователем импульсов заданной формы с регулируемой частотой 100 Гц - 500 кГц и регулируемой скважностью 0,5 - 5 и с усилителем - формирователем выходного сигнала с возможностью регулирования посредством микроконтроллера амплитуды выходного сигнала 1 - 12 В. Аналоговый коммутатор выполнен с двумя каскадами быстродействующих аналоговых ключей (см. патент РФ на изобретение № 2128942, МПК А 61В 5/05, опубл. 20.04.1999 г.).
ния области поражения ткани биологического объекта, так как в силу отсутствия одновременного измерения по нескольким параметрам, а именно емкостного и омического сопротивления объекта, недостаточно первичной информации для достоверного вывода при диагностировании различных видов гангрен (сухая, влажная).
Известно устройство для региональной биоимпедансометрии, содержащее генератор переменного тока, к выходу которого подключены токовые электроды, последовательно соединенные коммутатор, детектор, аналого-цифровой преобразователь и блок обработки и индикации, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора, региональные и периферические потенциальные электроды соединены с сигнальными входами коммутатора. Устройство содержит делитель напряжения, включенный между региональными потенциальными электродами, выход которого соединен с дополнительным сигнальным входом коммутатора. Детектор содержит последовательно соединенные фильтр низких частот, усилитель селективный и блок детектирования реосигнала и последовательно соединенные фильтр высоких частот, вход которого соединен с входом фильтра низких частот, и блок детектирования высокочастотного сигнала, а также блок детектирования низкочастотного сигнала, вход которого соединен с выходом фильтра низких частот, вход которого является входом детектора, причем выходы блока детектирования реосигнала, блока детектирования низкочастотного сигнала и блока детектирования высокочастотного сигнала являются выходами детектора (см. патент РФ на изобретение № 2094013, МПК А 61В 5/05, опубл. 27.10.1997г.).
Недостатком известного устройства также является сложность его конструкции, за счет использования фильтров высоких и низких частот и нескольких блоков детектирования. Оно также не позволяет осуществить диагностику с высокой точностью, поскольку необходимо измерение параметров во множестве точек удаленных друг от друга частей тела объекта. При этом определение местонахождения искомых точек, в которых необходимо проводить измерение параметров, весьма затруднительно.
Известно также устройство для исследования функционального состояния биоткани, содержащее управляемый генератор, выход которого соединен с токовым электродом, индифферентный электрод, последовательно соединенные потенциалометрический электрод, усилитель и блок фазовых детекторов, при этом с целью повышения точности и сокращения времени исследования электрических параметром биоткани, в устройство введены генератор развертки, соединенный с входом управляемого генератора, амплитудный детектор, вход которого соединен с выходом усилителя, блок
деления, входы которого соединены с выходами блока фазовых детекторов, и двухканальный индикатор, информационные входы которого соединены с соответствующими выходами блока деления и амплитудного детектора, а вход развертки соединен с выходом генератора развертки, при этом выход управляемого генератора соединен с вторым входом блока фазовых детекторов (см. авторское свидетельство СССР на изобретение № 1311707, МПК А 61В 5/05, опубл. 23.05.1987 г.).
Однако, недостатком известного устройства также является его сложность вследствие наличия большого количества электронных приборов (блоков фазовых детекторов и деления, усилителя, амплитудный детектор), которые за счет шумов и наводок, присущих каждому прибору, увеличивают погрешность измерения, которая может привести к неточной диагностики состояния биологической ткани. Процесс обработки результатов измерения дополнительно затруднен из-за необходимости оценки графических зависимостей модуля полного импеданса от частоты и тангенса фазового угла от частоты, что, в отличие, например, от численной оценки, усложняет диагностику состояния биологической ткани.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство для электромагнитно-резонансной импедансометрии живых тканей биологического объекта, содержащее генератор тестовых сигналов переменной частоты, датчиковое устройство, в состав которого входит катушка индуктивности и конденсатор, образующие колебательный контур, и регистратор, вход которого соединен с выходом датчикового устройства. Генератор тестовых сигналов переменной частоты и регистратор выполнены в виде компьютера с подключенным к нему дополнительным устройством формирования и обработки сигналов, выход которого соединен с входом датчикового устройства, а второй вход - с выходом датчикового устройства, при этом устройство формирования и обработки сигналов содержит интерфейс и управляемый напряжением генератор, вход первого из которых и первый выход второго являются соответственно входом и выходом устройства формирования и обработки сигналов, цифроаналоговый преобразователь, синхронизатор, частотомер, аналого-цифровой преобразователь и коммутатор каналов, при этом первая группа выходов интерфейса соединена с управляющими входами цифроаналогового преобразователя, вторая группа выходов - с управляющими входами синхронизатора, третья группа выходов с управляющими входами коммутатора, первая группа входов - с портом параллельного вывода частотомера, вторая группа входов - с портом параллельного вывода аналого-цифрового преобразователя, выход цифроаналогового преобразователя соединен с входом генератора управляемого напряжением, первый выход которого соединен с
первым входом коммутатора, а второй выход - с первым входом частотомера, второй вход которого соединен с первым выходом синхронизатора, второй выход синхронизатора соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, у которого второй вход соединен с выходом коммутатора, второй, третий и четвертый выходы которого являются соответствующими входами устройства формирования и обработки сигналов. Датчиковое устройство содержит последовательно соединенные согласующее устройство, измерительный колебательный контур, буферный усилитель и детектор, выход которого соединен со вторым входом устройства формирования и обработки сигналов. Колебательный контур снабжен измерительной катушкой индуктивности, обмотка которой может быть размещена на каркасе из диэлектрика, на сердечнике из магнитодиэлектрика, на плоском каркасе из диэлектрика или иметь бескаркасную намотку, а также возможно использование катушки с разъемной обмоткой. Колебательный контур может быть снабжен катушкой индуктивности, содержащей контурную обмотку и обмотку связи, размещенные на каркасе из диэлектрика, и закрепленной в броневом сердечнике из магнитодиэлектрика, при этом выводы обмотки связи соединены проводниками с двумя металлическими электродами соответственно. Колебательный контур может быть также снабжен катушкой индуктивности, обмотка которой размещена на каркасе из диэлектрика и закреплена в броневом сердечнике из магнитодиэлектрика, при этом выводы конденсатора колебательного контура соединены проводниками с двумя металлическими электродами, причем у каждого электрода рабочая поверхность покрыта слоем диэлектрика. Устройство может быть снабжено дополнительными датчиками температуры и пульса, выход которых соединены соответственно с третьим и четвертым входами устройства формирования и обработки сигналов (см. патент РФ на изобретение № 2182814, МПК А 61В 5/053, опубл. 27.05.2002 г.).
Недостатком известного устройства также является сложность его конструкции и его громоздкость. При этом необходима точная настройка параметров устройства для его работы, а именно колебательного контура, измерительной катушки индуктивности и других составных частей устройства, что усложняет проведение процедуры и снижает точность диагностики.
Для диагностики возможной патологии живых тканей одиночного органа известным устройством первоначально исследуют параметры колебательного контура с внесенными этими органами у здоровых людей разных возрастных групп и устанавливают границы этих параметров для каждой возрастной группы. Это значительно увеличивает количество измерений и приводит к увеличению времени диагностики.
Экспериментальные данные показали, что в каждом конкретном случае гангрены нижних конечностей любого генеза необходимо индивидуальное исследование жизнеспособности тканей и определения уровня ампутации. Поэтому экспериментальные данные, получаемые известным устройством для группы здоровых людей, могут снизить достоверность диагностики, так как имеют существенную флуктуацию относительно индивидуальных данных конкретного пациента.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание устройства для исследования биологической ткани, пораженной гангреной, характеризующегося простотой выполнения и обеспечивающего необходимую достоверность данных для диагностики состояния ткани.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемой полезной модели, заключается в обеспечении более точного определения не устанавливаемых визуально границ поражения ткани.
Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве для диагностики состояния биологической ткани, содержащем датчиковое устройство, компьютер и устройство обработки сигналов, содержащее интерфейс, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), коммутатор, при этом вход коммутатора соединен с выходом датчикового устройства, а выход коммутатора соединен с входом АЦП, компьютер и устройство обработки сигналов соединены посредством интерфейса, порт ввода/вывода которого соединен с шиной подключения дополнительных устройств компьютера, причем выход интерфейса соединен с входом ЦАП, а вход - с выходом АЦП, согласно полезной модели, датчиковое устройство содержит, по крайней мере, две пары электродов и, по крайней мере, два эталонных резистора, а устройство обработки сигналов дополнительно снабжено таймером, выходы ЦАП соединены с входами датчикового устройства, при этом один из выходов ЦАП также соединен со вторым входом коммутатора, причем один электрод из каждой пары соединен непосредственно с ЦАП, а другой - через эталонный резистор, другие выходы интерфейса соединены соответственно с входом АЦП, входом таймера и входом коммутатора, при этом выход таймера соединен со вторым входом интерфейса.
Применение двух пар электродов позволяет осуществить совмещенное измерение значения активной и реактивной составляющей импедансов здоровой и пораженной конечности, что значительно сокращает время проведения диагностики. Применение для измерения импеданса на каждой конечности двух электродов позволяет провести измерения в диаметрально противоположных точках пересечения горизонтальной плоскости с поверхностью конечности. Это позволяет получить наиболее достоверные значения импеданса исследуемой ткани, поскольку исследуется конечность по всей ее толщине, а не локальная область на ее поверхности. При этом использование в качестве датчикового устройства двух электродов с эталонным резистором позволяет без снижения точности измерения значительно ускорить и упростить процесс измерения значений импеданса биологической ткани, необходимых для диагностики области поражения. Применение в предлагаемой полезной модели автоматизированного устройства обработки сигналов, его связь с датчиковым устройством, позволяет осуществить автоматизированные снятие и последующую передачу данных в необходимый момент времени, что обеспечивается таймером и его связью с АЦП через интерфейс. Это позволяет упростить получение исходных данных для дальнейшей диагностики и точность измерения за счет получения необходимых и достаточных данных при помощи автоматизированных вычислительных средств и, соответственно, повысить точность последующей диагностики.
В настоящем описании полезной модели используется следующая терминология.
Под горизонтальной плоскостью понимается плоскость, отделяющая нижележащие отделы организма человека от вышележащих, при этом она перпендикулярна сагиттальной (отделяющей правые отделы организма человека от левых) и фронтальной (отделяющей передние отделы организма человека от задних) плоскостям (см. Анатомия человека / Под ред. М.Р.Сапина, т. 1, М.: Медицина, 1987, с. 13).
Под жизнеспособным состоянием понимается состояние ткани, при котором отсутствует ее некротизация (см. Хирургическая обработка гнойной раны, режим доступа в информационной системе общего пользования Интернет в электронноцифровой форме http://lib.msmi.minsk.by/cgi-bin/showdoc file learn/330205&line 291, 11.06.2003 г.), т.е. жизнеспособность - это возможность ткани, подвергшейся воздействию поражающего фактора и находящейся в состоянии угнетения жизнедеятельности, перенести хирургическое воздействие, восстановить свои нормальные функции и привести к заживлению раны.
Устройство для диагностики состояния биологической ткани иллюстрируется следующими чертежами, где на фиг. 1 показана блок-схема устройства для диагностики состояния биологической ткани; на фиг. 2 показан вариант выполнения датчикового устройства; на фиг. 3 приведены временные зависимости напряжений на электродах.
Позиции на чертежах обозначают следующее: 1 - датчиковое устройство; 2 устройство обработки сигналов; 3 - компьютер; 4 - интерфейс; 5 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП); 6 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 7 - коммутатор; 8 - электрод; 9 - эталонный резистор; 10 - таймер; 11 - биологическая ткань.
Устройство для диагностики состояния биологической ткани содержит датчиковое устройство 1, устройство 2 обработки сигналов и компьютер 3 (фиг. 1). Устройство 2 обработки сигналов содержит интерфейс 4, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 5, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, коммутатор 7.
Выход коммутатора 7 соединен с входом АЦП 6, при этом один из входов (потенциальный) коммутатора 7 соединен с выходом датчикового устройства 1, содержащего, по крайней мере, две пары электродов 8 и, по крайней мере, два эталонных резистора 9, а второй вход (общий) коммутатора 7 соединен с одним из выходов (общим) ЦАП 5. При этом выходы ЦАП 5 соединены с входами датчикового устройства 1 следующим образом. Один электрод 8 из каждой пары соединен непосредственно с одним из выходов (общим) ЦАП 5, а другой соединен со вторым выходом (потенциальным) ЦАП 5 через эталонный резистор 9 (фиг. 1 и 2).
Устройство 2 обработки сигналов дополнительно снабжено таймером 10, используемым для синхронизации процессов сбора данных в данной измерительной системе.
Выходы интерфейса 4 соединены соответственно с входами ЦАП 5, АЦП 6, коммутатора 7 и таймера 10. Один из входов интерфейса 4 соединен с выходом АЦП 6, а второй - с выходом таймера 10.
Компьютер 3 и устройство 2 обработки сигналов соединены посредством интерфейса 4, порт ввода/вывода которого соединен с внутренней шиной компьютера 3, используемой для подключения дополнительных устройств компьютера 3 (фиг. 1 и 2).
Компьютер 3 представляет собой - IBM-совместимый персональный компьютер, с подключенными к нему периферийными устройствами (монитор, принтер, клавиатура).
В качестве устройства 2 обработки сигналов может быть использована, например, плата сбора данных модели L-154 (производитель фирма L-CARD, Россия), которая является функционально полной системой сбора и вывода аналоговых и цифровых данных. Плата L-154 содержит 12-битовый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) с максимальной частотой преобразования 70 кГц, 12-битовый аналого-цифровой преобразователь (АЦП), программно управляемые многоканальный коммутатор и таймеры. Соединение платы и компьютера 3 выполняется с помощью стандартного разъема
шины ISA расположенной на материнской плате компьютера 3 через интерфейс 4, с помощью которого происходит передача данных и сигналов управления от компьютера 3 и передача данных от устройства 2 обработки сигналов в компьютер 3.
Устройство для диагностики состояния биологической ткани работает следующим образом.
Для проведения диагностики состояния биологической ткани одна пара электродов 8 накладывается на исследуемую ткань 11 пораженной конечности, а другая пара - на исследуемую ткань 11 здоровой конечности. При этом электроды 8 необходимо располагать в диаметрально противоположных точках пересечения горизонтальной плоскости с поверхностью конечности. Пары электродов 8 располагаются равноудаленно относительно исходной точки, расположенной на теле пациента, например, пупка. В исходном состоянии напряжение на электродах отсутствует.
В момент времени to компьютер 3 формирует 12-разрядный код управления, который через интерфейс 4 передается на ЦАП 5, формирующий соответствующее цифровому сигналу аналоговое напряжение U, после чего аналоговый сигнал поступает на датчиковое устройство 1 (фиг. 1).
Так как с физической точки зрения биологическую ткань 11 можно представить в виде подключенных параллельно резистора Roe и конденсатора С0б, в момент времени to начинается переходный процесс, связанный с зарядом условной емкости биологической ткани 11. При этом напряжение Lb на первой паре электродов 8 начинает возрастать по экспоненциальному закону
Ro6/( R3T+Ro6)41-exp(-At/t3)),
где 1з(Соб+Спр)( Rar+Roe) - постоянная времени цепи заряда; Rar - значение сопротивления эталонного резистора 9; Спр - паразитная емкость электрических проводов, соединяющих выходы датчикового устройства 1 с входом коммутатора 7; UUAH напряжения на выходе (потенциальном) ЦАП 5 и на входе датчикового устройства 1;  - время с начала подачи импульса напряжения на электроды.
При отсутствии эталонного резистора 9 процесс заряда происходил бы практически мгновенно, что не позволило бы выполнить процесс измерения. При этом значение Rgr задается таким образом, чтобы общее время переходного процесса , связанного с зарядом емкости было от 0,01 до 0,1 секунд. За время tnp  напряжение Lb достигает постоянного значения  Ro6/( Rw+Roe) и процесс изменения Ua практически заканчивается.
пьютером 3 выполняет преобразование значения напряжения в цифровой 12разрядный код. Преобразование выполняется через равные интервалы времени (например, 200 мкс), что необходимо для последующей цифровой обработки данных измерения. Интервалы времени устанавливаются таймером 10 и через интерфейс 4 передаются на АЦП 6. Цифровые данные поступают через интерфейс 4 в компьютер 3, где запоминаются в оперативной памяти.
Через время tnp компьютер 3 устанавливает значение напряжения на выходе ЦАП 5 равным нулю () вследствие чего начинается процесс разрядки биологической ткани 11. Для обеспечения необходимой точности измерения в условиях воздействия естественных и индустриальных шумов, а также наличия эффекта поляризации электродов, процедура измерения периодически повторяется. Для этого в интервале времени от tnp до 24, выполняется разряд конденсатора путем подачи на вход измерительной цепи напряжения  в момент времени . После полной разрядки в момент времени 2«tnp компьютер 3 задает цифровой код управления, который через интерфейс 4 передается на ЦАП 5, формирующий аналоговое напряжение -ицдп (фиг. 3).
Аналогично ранее рассмотренному случаю напряжение Ua на первой паре электродов 8  начинает возрастать по экспоненциальному закону, который описывается следующим соотношением
иэ -UuAn Коб/( Кэт+КобИ1-ехр(-Д1Д3)), где 13(Соб+Спр)КэтКоб/( Кэт+Коб); .
Таким образом, закон изменения напряжения в этом случае отличается только знаком.
При стабилизации изменения Ua аналоговый сигнал поступает с датчикового устройства 1 через коммутатор 7 на АЦП 6.
В интервале времени от  до  аналогично рассмотренному выше случаю происходит разряд конденсатора и далее процесс повторяется необходимое число раз для получения требуемой точности.
Указанная процедура формирования двухполярного напряжения на датчиковом устройстве 1 обеспечивает нивелирование эффектов поляризации электродов 8 и компонентов живой ткани, связанных с неизбежным быстрым изменением электрических параметров под действием постоянного тока.
печивается за счет цифровой фильтрации данных, полученных с датчикового устройства 1.
После снятия данных при помощи программного обеспечения компьютера 3 и стандартного математического алгоритма рассчитываются значения Коб, Соб в зоне расположения электродов 8, являющиеся активной и реактивной составляющими импеданса исследуемой биологической ткани 11. Результаты вычислений могут быть представлены в графическом и текстовом виде на экране монитора компьютера 3. Время снятия данных и вычисления измерений составляет примерно 10 секунд.
После окончания процедуры измерения параметров тканей в зоне расположения первой пары электродов 8 цикл измерений выполняется для другой пары электродов 8.
В случае наличия двух пар электродов 8 после выполнения измерений электроды 8 необходимо расположить на других точках конечностей и провести аналогичные измерения.
Полученные данные измерений можно проанализировать следующими способами.
В качестве оцениваемых при диагностики величин можно использовать значения отношения реактивной составляющей импеданса к активной составляющей импеданса (А) на пораженной конечности и отношения реактивной составляющей импеданса к активной составляющей импеданса (В) на здоровой конечности. При соблюдении соотношения | В-А |  В/5 диагностируют жизнеспособное состояние исследуемой ткани пораженной конечности. Для получения наиболее полной картины поражения конечности гангреной подобные исследования необходимо проводить по длине конечностей.
В качестве оцениваемых при диагностики величин также можно использовать значения реактивной составляющей импеданса на пораженной конечности и реактивной составляющей импеданса на здоровой конечности. В этом случае предложенным устройством производят измерения значений реактивной составляющей импеданса (С) на пораженной конечности и реактивной составляющей импеданса (D) на здоровой конечности и при соблюдении соотношения | D-C |  D/5 диагностируют жизнеспособное состояние исследуемой ткани пораженной конечности. Для получения наиболее полной картины поражения конечности гангреной подобные измерения также необходимо проводить по длине конечностей.
участками, которую необходимо учитывать при дальнейшем лечении, например, ампутации части пораженной конечности.
Использование устройства для диагностики состояния биологической ткани, характеризующегося простотой выполнения и обеспечивающего необходимую достоверность диагностики, позволяет более точно определять не устанавливаемые визуально границы пораженного гангреной участка конечностей. Это позволяет оставлять при ампутации максимально возможную здоровую часть пораженной конечности и, таким образом, увеличить количество людей, сохранивших опорную функцию конечности и заново получающих возможность ходить после операции по поводу различных видов гангрен.
ФОРМУЛА ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Устройство для диагностики состояния биологической ткани, содержащее датчиковое устройство, компьютер и устройство обработки сигналов, содержащее интерфейс, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), коммутатор, при этом вход коммутатора, соединен с выходом датчикового устройства, а выход коммутатора соединен с входом АЦП, компьютер и устройство обработки сигналов соединены посредством интерфейса, порт ввода/вывода которого соединен с шиной подключения дополнительных устройств компьютера, причем выход интерфейса соединен с входом ЦАП, а вход - с выходом АЦП, отличающееся тем, что датчиковое устройство содержит, по крайней мере, две пары электродов и, по крайней мере, два эталонных резистора, а устройство обработки сигналов дополнительно снабжено таймером, выходы ЦАП соединены с входами датчикового устройства, при этом один из выходов ЦАП также соединен со вторым входом коммутатора, причем один электрод из каждой пары соединен непосредственно с ЦАП, а другой через эталонный резистор, другие выходы интерфейса соединены соответственно с входом АЦП, входом таймера и входом коммутатора, при этом выход таймера соединен со вторым входом интерфейса.
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНИ