БИОИМПЕДАНСНЫЙ АНАЛИЗАТОР

Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано при исследованиях распределения жидкостей в организме, состава тела, а также при диагностике заболеваний.
Известен биоимпедансный анализатор, содержащий генератор переменного тока, токовые электроды и блок коммутации, входы которого соединены с потенциальными электродами, а выход через детектор и аналого-цифровой преобразователь соединен с блоком обработки и индикации, выход которого соединен с входом управления блока коммутации (Патент РФ №2094013 от 29.04.96, А 61 В 5/05).
Недостатком известного устройства является невозможность измерять активную и реактивную составляющие импеданса.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является биоимпедансный анализатор, содержащий генератор переменного тока, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым токовыми входами блока коммутации, соответственно, с 1-го по М-й токовые выходы которого соединены с 1-го по М-й токовыми электродами, соответственно, с 1-го по N-й потенциальные входы блока коммутации соединены с 1-го по N-й потенциальными электродами, соответственно, а первый и второй потенциальные выходы соединены с первым и вторым входами первого детектора, соответственно, выход которого через аналого-цифровой преобразователь соединен со входом блока обработки и индикации, первый выход которого соединен с входом управления блока коммутации (Патент РФ №1826864, 29.04.90, А 61 В 5/05).
Недостатком и этого известного устройства является невозможность измерения активной и реактивной составляющих импеданса.
Техническим результатом является обеспечение возможности измерения активной и реактивной составляющих импеданса биообъекта. Дополнительным техническим результатом является уменьшение погрешностей измерения благодаря учету импедансов между токовыми и потенциальными электродами.
Для достижения указанного технического результата в биоимпедансный анализатор, содержащий генератор переменного тока, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым токовыми входами блока коммутации, соответственно, с 1-го по М-й токовые выходы которого соединены с 1-го по М-й токовыми электродами, соответственно, с 1-го по N-й потенциальные входы блока коммутации соединены с 1-го по N-й потенциальными электродами, соответственно, а первый и второй его потенциальные выходы соединены, соответственно, с первым и вторым входами первого детектора, выход которого через аналого-цифровой преобразователь соединен со входом блока обработки и индикации, первый выход которого соединен с входом управления блока коммутации, введен второй детектор, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым потенциальными выходами блока коммутации, соответственно, причем первый и второй детекторы выполнены синхронными, а их входы синхронизации соединены, соответственно, с первым и вторым выходами синхронизации генератора переменного тока, при этом аналого-цифровой преобразователь выполнен двухканальным, и его второй вход соединен с выходом второго детектора.
Кроме того, блок обработки и индикации выполнен с возможностью вычисления и индикации активной и реактивной составляющих измеряемого импеданса.
Помимо этого, в биоимпедансном анализаторе блок коммутации содержит коммутатор токов, и коммутатор потенциалов, входы управления которых соединены с входом управления блока коммутации, причем с 1-го по М-й выходы коммутатора токов соединены с соответствующими токовыми выходами блока коммутации, с 1-го по N-й входы коммутатора потенциалов соединены
с соответствующими потенциальными входами блока коммутации, а (N+1)-й и (N+2)-й входы коммутатора потенциалов соединены, соответственно, с первым и вторым токовыми входами блока коммутации.
Кроме того, блок обработки и индикации выполнен с возможностью вычисления и индикации активной и реактивной составляющих импедансов между токовыми и потенциальными электродами и учета значений этих составляющих при вычислении активной и реактивной составляющих измеряемого импеданса.
Помимо этого, в биоимпедансном анализаторе генератор переменного тока снабжен входом управления частотой переменного тока, соединенным со вторым выходом блока обработки и индикации.
Кроме того, в биоимпедансном анализаторе генератор переменного тока содержит последовательно соединенные генератор цифрового синусоидального сигнала, цифроаналоговый преобразователь, фильтр нижних частот и преобразователь напряжения в ток, первый и второй выходы которого являются первым и вторым выходами генератора переменного тока, вход управления частотой которого соединен с входами управления фильтра нижних частот и генератора цифрового синусоидального сигнала, первый и второй дополнительные выходы которого являются, соответственно, первым и вторым выходами синхронизации генератора переменного тока.
Сущность полезной модели состоит в том, что для измерения активной и реактивной составляющих импеданса используется синхронное детектирование. Кроме того, уменьшение погрешностей измерения достигается с помощью дополнительного измерения импедансов между токовыми и потенциальными электродами и учета этих импедансов при расчете измеряемого импеданса в соответствии с эквивалентной схемой измерительной цепи.
Сравнение предлагаемого устройства с ближайшим аналогом позволяет утверждать о соответствии критерию "новизна". Предварительные испытания позволяют судить о возможности промышленного использования.
На Фиг.1 представлена электрическая структурная схема заявляемого устройства, на Фиг.2 - эквивалентная схема измерительной цепи.
Биоимпедансный анализатор содержит генератор 1 переменного тока, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым токовыми входами блока 2 коммутации, соответственно, с 1-го по М-й токовые выходы которого соединены с 1-го по М-й токовыми электродами 3-1...3-М, соответственно, а с 1-го по N-й потенциальные входы соединены с 1-го по N-й потенциальными электродами 4-1...4-N, соответственно. Первый и второй потенциальные выходы блока 2 коммутации соединены, соответственно, с первым и вторым входами первого детектора 5, выход которого через аналого-цифровой преобразователь 7 соединен со входом блока 8 обработки и индикации, первый выход которого соединен с входом управления блока 2 коммутации. Биоимпедансный анализатор содержит также второй детектор 6, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым потенциальными выходами блока 2 коммутации, соответственно. Первый и второй детекторы 5, 6 выполнены синхронными, а их входы синхронизации соединены, соответственно, с первым и вторым выходами синхронизации генератора 1 переменного тока, который выполнен с возможностью формирования на своих первом и втором выходах синхронизации периодических импульсных последовательностей, различающихся по фазе. Аналого-цифровой преобразователь 7 выполнен двухканальным, и его второй вход соединен с выходом второго детектора 6. Блок 8 обработки и индикации выполнен с возможностью вычисления и индикации активной и реактивной составляющих измеряемого импеданса.
Блок 2 коммутации может содержать коммутатор 9 токов и коммутатор 10 потенциалов, входы управления которых соединены с входом управления блока 2 коммутации. С 1-го по М-й входы коммутатора 9 токов соединены с соответствующими токовыми входами блока 2 коммутации, с 1-го по N-й входы коммутатора 10 потенциалов соединены с соответствующими потенциальными
входами блока 2 коммутации, а (N+1)-й и (N+2)-й входы коммутатора 10 потенциалов соединены с первым и вторым токовыми входами блока 2 коммутации, соответственно. Блок 8 обработки и индикации при этом может быть выполнен с возможностью вычисления и индикации активной и реактивной составляющих импедансов между токовыми и потенциальными электродами и учета значений этих импедансов при вычислении активной и реактивной составляющих измеряемого импеданса.
Генератор 1 переменного тока может быть снабжен входом управления частотой переменного тока, соединенным со вторым выходом блока 8 обработки и индикации, который при этом может быть выполнен с возможностью формирования кода управления частотой переменного тока на своем втором выходе.
В этом случае генератор 1 переменного тока может содержать последовательно соединенные генератор 11 цифрового синусоидального сигнала, цифроаналоговый преобразователь 12, фильтр 13 нижних частот и преобразователь 14 напряжения в ток, первый и второй выходы которого являются, соответственно, первым и вторым выходами генератора 1 переменного тока, вход управления частотой которого соединен с входами управления фильтра 13 нижних частот и генератора 11 цифрового синусоидального сигнала. Первый и второй дополнительные выходы генератора 11 соединены, соответственно, с первым и вторым выходами синхронизации генератора 1 переменного тока.
Блок 8 обработки и индикации может быть выполнен на микропроцессоре, например, ATMega8515 фирмы Atmel, к которому подключается ЖК дисплей. Программа обработки и индикации записывается в энергонезависимое ЗУ микропроцессора, порты ввода-вывода которого при этом выполняют функции выходов и входа блока 8 обработки и индикации. Блок 8 обработки и индикации может быть также выполнен в виде персонального компьютера, снабженного платой параллельного интерфейса. Возможен вариант совместного применения микропроцессора и персонального компьютера, соединяемых,
например, через интерфейс USB. В этом случае входом и выходами блока 8 являются порты ввода-вывода микропроцессора, монитор персонального компьютера служит для индикации, а функции управления, вычислений и отображения распределяются между программами, выполняемыми микропроцессором и персональным компьютером.
В блоке 2 коммутации могут использоваться микросхемы аналоговых мультиплексоров. Для хранения кодов управления мультиплексорами, поступающих с блока 8 обработки и индикации, в коммутаторы 9 и 10 могут входить регистры. Коммутатор 9 токов должен обеспечивать возможность подключения первого и второго токовых входов блока 2 коммутации к любой паре его токовых выходов. Коммутатор 10 потенциалов должен обеспечивать подключение первого и второго потенциальных выходов блока 2 коммутации к любой паре его потенциальных входов. Дополнительно может обеспечиваться подключение одного из потенциальных выходов блока 2 коммутации к любому из двух его токовых входов, а другого потенциального выхода блока 2 коммутации - к любому из N его потенциальных входов. Количества токовых выходов (число М) и потенциальных входов (число N) блока 2 коммутации должны быть достаточны для обеспечения измерения импедансов всех сегментов тела. Как правило, достаточно иметь М=6 токовых выходов и N=8 потенциальных входов.
Синхронные детекторы 5 и 6 могут быть выполнены, например, в виде аналоговых ключей, замыкающихся при поступлении на входы синхронизации уровней напряжения, соответствующих логической "1". Перед ключом в каждом детекторе может стоять усилитель. После ключа в каждом детекторе могут быть сглаживающий фильтр и повторитель напряжения. Вторые входы синхронных детекторов 5 и 6 при этом соединены с общей шиной.
В качестве аналого-цифрового преобразователя 7 может использоваться, например, микросхема AD7731 фирмы Analog Devices, представляющая собой многоканальный высокоточный АЦП. Выбор канала и запуск преобразования
осуществляется подачей на АЦП управляющих кодов с блока 8 обработки и индикации. Соответствующие связи на Фиг.1 не показаны.
Генератор 11 цифрового синусоидального сигнала может быть выполнен, например, в виде микропроцессора AT90S2313 производства фирмы Atmel. Программа формирования цифрового синусоидального сигнала при этом записана в энергонезависимое ЗУ микропроцессора. Для обеспечения многочастотных измерений эта программа должна включать подпрограммы формирования синусоидальных напряжений разных частот. Выбор одной из этих подпрограмм производится подачей с блока 8 обработки и индикации управляющего кода на вход управления генератора 11, образованный входным портом микропроцессора.
Цифровая аппроксимация синусоидального переменного напряжения формируется на выходе микропроцессора в виде последовательности двоичных чисел. Старший разряд выходного порта микропроцессора, определяющий полярность полуволны синусоидального напряжения, может являться первым дополнительным выходом генератора 11. Второй дополнительный выход генератора 11 может быть образован одним из разрядов выходного порта микропроцессора, на котором в соответствии с программой формируется последовательность импульсов со скважностью примерно равной «2», сдвинутых по фазе примерно на 90° относительно сигнала на первом дополнительном выходе генератора 11.
Фильтр 13 нижних частот может быть выполнен в виде интегрирующей RC-цепи. В случае многочастотного генератора фильтр 13 также должен содержать коммутатор, включающий в RC-цепь один из набора конденсаторов. Вход управления коммутатора при этом является входом управления фильтра 13 нижних частот.
g
g
i
c1
c2
1
2
Эквивалентная схема измерительной цепи (Фиг.2) содержит генератор зондирующего тока I, имеющий выходной импеданс Z, измеряемый импеданс Z, межэлектродные импедансы Z и Z, обусловленные напряжениями между токовыми электродами I, I и соответствующими потенциальными
1
2
m
электродами U, U, входной импеданс Z тракта измерения напряжения между потенциальными электродами на сегменте тела. Здесь жирным шрифтом показаны комплексные величины.
Работа устройства.
На теле пациента размещаются токовые электроды 3-1...3-М и потенциальные электроды 4-1...4-N. Процесс измерения состоит из измерений отдельных отведений. При измерении каждого отведения коммутатор 9 токов подключает выходы генератора 1 переменного тока к паре токовых электродов, а коммутатор 10 потенциалов соединяет входы детекторов 5 и 6 с парой потенциальных электродов. Такая схема измерений импеданса называется тетраполярной (четырехэлектродной). Эквивалентная схема получающейся при этом цепи показана на Фиг.2.
Перед началом измерения блок 8 обработки и индикации в соответствии с программой подает со своего первого выхода на вход управления блока 2 коммутации код, определяющий пару токовых и пару потенциальных электродов, используемых в данном измерении. Также блок 8 обработки и индикации подает со своего второго выхода на вход управления частотой генератора 1 переменного тока код, задающий частоту переменного тока для данного измерения.
Генератор 1 переменного тока вырабатывает синусоидальный ток заданной частоты. При этом генератор 11 цифрового синусоидального сигнала формирует последовательность двоичных чисел, аппроксимирующих синусоиду. Цифроаналоговый преобразователь 12 преобразует эту последовательностью чисел в переменное напряжение ступенчатой формы. Фильтр 13 нижних частот подавляет высшие гармоники в ступенчатом напряжении, в результате чего получается синусоидальное напряжение, преобразуемое в ток преобразователем 14.
Между двумя используемыми в данном отведении токовыми электродами через тело обследуемого пациента протекает зондирующий ток. Переменное
i
напряжение, снимаемое с используемой пары потенциальных электродов, поступает на синхронные детекторы 5 и 6. На их входы синхронизации поступают периодические импульсные последовательности с выходов синхронизации генератора 1 переменного тока. На выходах синхронных детекторов 5 и 6 выделяются напряжения, зависящие от величин активной (R) и реактивной (X) составляющих измеряемого импеданса Z. Эти напряжения преобразуются в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем 7, с выхода которого данные поступают на вход блока 8 обработки и индикации, который вычисляет измеренные значения R и X.
5
6
В общем случае напряжения U и U на выходах первого и второго синхронных детекторов 5 и 6 описываются функциями двух переменных
5
6
Для того, чтобы U зависело только от R, необходимо, чтобы периодическая последовательность импульсов, поступающая на вход синхронизации первого синхронного детектора 5, точно совпадала по фазе с переменным током, протекающим через объект. Для того, чтобы U зависело только от X, необходимо, чтобы периодическая последовательность импульсов, поступающая на вход синхронизации второго синхронного детектора 6, была сдвинута по фазе ровно на 90° относительно переменного тока.
Указанные условия трудно выполнимы. Поэтому для нахождения R и Х в блоке 8 обработки и индикации выполняется решение системы уравнений (1) с использованием одного из известных методов. Параметры функций F (R, X) и G (R, X) определяются при калибровке прибора и вводятся в программу.
Фазовый сдвиг между импульсными последовательностями на первом и втором выходах синхронизации генератора 1 переменного тока может отличаться от 90°. Если фазовый сдвиг по абсолютной величине находится в диапазоне от 45° до 90°, погрешность измерения активной и реактивной составляющих
импеданса увеличивается незначительно по сравнению со случаем фазового сдвига ровно 90°.
c1
c2
g
m
g
m
g
m
g
g
m
i
Как видно из эквивалентной схемы измерительной цепи (Фиг.2) при измерении тетраполярным методом возникают дополнительные погрешности, обусловленные совместным действием межэлектродных импедансов Z и Z, выходного импеданса генератора тока Z и выходного импеданса измерителя напряжения Z. В идеальном случае модули импедансов Z и Z настолько велики, что эти импедансы не оказывают существенного влияния на результаты измерений. В реальных же измерениях влияниями Z и Z пренебречь нельзя. Часть зондирующего тока I ответвляется в Z, а импеданс Z шунтирует Z. Это увеличивает погрешность измерения R и X.
c1
c2
i
1
1
c1
2
2
c2
i
g
m
Для уменьшения этих погрешностей в заявленном устройстве выполняется измерение межэлектродных импедансов Z и Z. Для этого после измерения импеданса Z блок 8 обработки и индикации переключает коммутатор 10 потенциалов так, чтобы на его выходы прошло напряжение между первым используемым токовым электродом (I на Фиг.2) и соответствующим ему используемым потенциальным электродом (U на Фиг.2). При этом выполняется измерение активной и реактивной составляющих межэлектродного импеданса Z. Затем блок 8 обработки и индикации переключает коммутатор 10 потенциалов так, чтобы на его выходы прошло напряжение между вторым используемым токовым электродом (I на Фиг.2) и соответствующим ему используемым потенциальным электродом (U на Фиг.2). При этом выполняется измерение активной и реактивной составляющих межэлектродного импеданса Z. После этого в блоке 8 обработки и индикации выполняется расчет уточненных значений активной и реактивной составляющих изменяемого импеданса Z. Расчет выполняется на основании эквивалентной схемы по Фиг.2 с использованием известных законов и правил теории электрических цепей. Необходимые для расчета параметры импедансов Z и Z оцениваются при калибровке устройства и вводятся в программу вычислений в блоке 8 обработки и индикации.
При выполнении полисегментного биоимпедансного анализа после выполнения измерений на первом отведении блок 8 обработки и управления переключает коммутатор 9 токов и коммутатор 10 потенциалов для выполнения измерений на следующем отведении и далее аналогично для всех отведении.
В случае многочастотного биоимпедансного анализа после завершения измерений на всех отведениях на первой частоте блок 8 обработки и индикации подает со своего второго выхода код задания следующей частоты на генератор 1 переменного тока. При этом изменяется частота цифрового синусоидального сигнала на выходе генератора 11, а частота среза фильтра 13 нижних частот устанавливается такой, чтобы выделять основную гармонику синусоидального сигнала и подавлять высшие гармоники, имеющиеся в ступенчатой аппроксимации синусоиды на новой частоте. Далее аналогично описанному выше проводятся измерения всех отведении на всех частотах.
Таким образом, заявленное устройство позволяет измерять активную и реактивную составляющие импеданса биообъекта. Это позволяет получать значительно больше информации о составе тела, состоянии тканей, распределении жидкостей, чем при измерении только модуля импеданса.
Кроме того, заявленное устройство позволяет измерять импедансы между токовыми и потенциальными электродами. Учет этих импедансов позволяет уменьшить погрешности измерения активной и реактивной составляющих импеданса биообъекта.
Заявленное устройство позволяет выполнять полисегментный и многочастотный биоимпедансный анализ. В частности, заявленное устройство позволяет получать частотный спектр комплексного импеданса биообъекта.
Все эти свойства и преимущества создают широкие перспективы применения нового биоимпедансного анализатора.