Устройство для измерения электрокожного сопротивления

 

Устройство предназначено для измерения электрокожного сопротивления и может быть использовано в специализированных диагностических приборах для лечебно-профилактических учреждений, основанных на методах электропунктуры. Устройство содержит два усилителя, измерительный и два пассивных электрода, компаратор, четыре электронных ключа, три блока памяти, коммутатор, три схемы совпадений, мультивибратор, триггер, калиброванный резистор, блок выделения модуля напряжений, управляемый делитель напряжений, источник эталонного напряжения, блок вычитания и регистратор. Введение коммутатора, калиброванного резистора, блока выделения модуля напряжений и блока вычитания, дополнительного электронного ключа, блока памяти, схемы совпадений и источника эталонного напряжения дало возможность получения линейной шкалы измерения электрокожного сопротивления, что позволило повысить точность в широком диапазоне изменения значений информативных сопротивлений. 1 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для измерения электрических параметров кожного покрова в точках акупунктуры, используемых для диагностических исследований методами электропунктуры.

Достоверность диагностических исследований в значительной степени зависит от точности измерения электрокожного сопротивления, которая должна обеспечиваться используемыми методами измерений и приборами и не должна превышать минимальных регистрируемых информативных изменений измеряемых параметров. Поскольку минимальные регистрируемые информативные изменения электрокожного сопротивления при электропунктурных диагностических методах составляет 5 - 10% измеряемого значения сопротивления, суммарная погрешность измерений электрокожного сопротивления не должна превышать для достоверности оценки результатов измерений одного и менее процентов в широком диапазоне возможных значений электрокожного сопротивления, определяемом значениями 10 - 500 кОм (см. Voll. R. Arbeitsrichlinien fur die Elektroakupunrtur. - Hamburg, Blume, 1963).

Известно устройство для измерения электрокожного сопротивления по а.с. СССР N 1215202, кл.A 61 H 39/02, заявл.28.06.84 г., содержащее три электрода, задатчик тока, соединенный с первым электродом, регистратор, соединенный с первым и вторым электродами, дифференциальный усилитель, выход которого соединен с третьим электродом, инвертирующий вход соединен с вторым электродом, а неинвертирующий - с вторым выходом задатчика тока, третий выход которого соединен с третьим входом регистратора.

В известном устройстве через электрокожное сопротивление пропускается измерительный ток постоянной амплитуды и измерение электрокожного сопротивления осуществляется по паданию напряжения на искомом сопротивлении. При этом на исследуемом участке кожного покрова может создаваться достаточно большая разность потенциалов, достигающая нескольких вольт. В результате чего возможен пробой мембран клеток кожного покрова и, как следствие, несоответствие получаемых значений сопротивлений истинным значениям. Кроме того, в устройстве-аналоге через кожный покров пропускается измерительный ток, значение которого определяется единицами микроампер, что приводит к нарушению интактности точек акупунктуры и дополнительному измерению электрокожного сопротивления, определяющему погрешности измерений.

Таким образом, основным недостатком известного устройства - аналога является недостаточная точность измерения электрокожного сопротивления.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному техническому решению является устройство для поиска точек акупунктуры по а. с СССР N 1060185, кл. A 61 H 39/02, заявл.11.08.82 г., содержащее усилитель, к первому входу которого подключен измерительный электрод и первый выход управляемого резистора, вход которого соединен с выходом блока согласования, первый пассивный электрод, подключенный ко входу повторителя напряжений, второй пассивный электрод, соединенный с общей шиной, повторитель напряжения, вход которого соединен с первым пассивным электродом, первый электронный ключ, первый выход которого соединен с выходом повторителя напряжения и вторым входом усилителя, а второй выход - со вторым выходом управляемого резистора, второй усилитель, первый и второй регистраторы, последовательно соединенные второй электронный ключ, третий усилитель, первый блок памяти, компаратор, третий электронный ключ и второй блок памяти, а также мультивибратор, две схемы совпадений и триггер, вход которого подключен к выходу мультивибратора и первым входам схем совпадений, первый выход которого соединен со входом первого электронного ключа и вторым входом второй схемы совпадения, а второй выход - со вторым входом первой схемы совпадения, выход которой подключен ко входу второго электронного ключа, выход усилителя соединен с выходом второго электронного ключа и через второй усилитель со вторым входом компаратора, выход второго блока памяти соединен со входом блока согласования и вторым регистратором, выход второй схемы совпадения соединен со входом третьего электронного ключа, а первый регистратор - с выходом первого блока памяти.

Названное устройство выбрано в качестве прототипа заявленного устройства как совпадающее с ним по максимальному числу признаков.

В устройстве - прототипе измерение электрокожного сопротивления осуществляется при минимальном значении измерительного тока, определяемого разностью электрокожных потенциалов, электрокожными сопротивлениями и сопротивлением управляемого резистора, что обеспечивает уменьшение измерения за счет влияния измерительного тока на состояние кожного покрова. В устройстве измерение электрокожных сопротивлений осуществляется по значениям сопротивления управляемого резистора, изменяемого пропорционально электрокожному сопротивлению. При этом значение сопротивления управляемого резистора определяется по управляющему напряжению, подаваемому на вход согласующего устройства. В качестве управляемого резистора в устройстве используется полупроводниковый транзистор (биполярный или полевой), обладающий значительной нелинейностью изменения сопротивления от управляющего напряжения в широком диапазоне изменения сопротивления. В результате этого даже при использовании специального линеаризирующего согласующего устройства возникают значительные трудности получения линейной характеристики управления сопротивлением, что необходимо для построения высокоточных измерительных устройств. Это снижает точность измерения электрокожного сопротивления при использовании устройства - прототипа, а также вводит значительные ограничения при обеспечении высокой повторяемости параметров приборов, что ограничивает их серийное производство. При этом сложность настройки апроксимирующих звеньев и низкая повторяемость параметров при массовом производстве приборов дополнительно определяют погрешности измерения электрокожного сопротивления устройства - прототипа.

Таким образом, недостатки известных устройств определяются недостаточной точностью измерения электрокожного сопротивления.

Целью изобретения является устранение отмеченных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения электрокожного сопротивления, содержащее два усилителя, измерительный электрод, подключенный к первому входу первого усилителя, два пассивных электрода, компаратор, выход которого через первый электронный ключ соединен со входом первого блока памяти, две схемы совпадений, первые входы которых раздельно соединены с первым и вторым выходами триггера, выходы - раздельно подключены к первым входам первого и второго электронных ключей, второй вход первой схемы совпадения соединен с первым выходом мультивибратора и входом триггера, второй блок памяти и регистратор, введены третий блок памяти, третий электронный ключ, третья схема совпадения, блок выделения модуля напряжений и коммутатор, первый и второй входы которого подключены раздельно к первому и второму пассивным электродам, а третий вход - к выходу первой схемы совпадений, четвертый электронный ключ, первый вход которого подключен к первым входам первой и третьей схем совпадений, второй вход подключен к первому пассивному электроду, а выход - соединен через калиброванный резистор с измерительным электродом, блок вычитания, входы которого раздельно соединены через второй и третий блоки памяти с выходами второго и третьего электронных ключей, управляемый делитель напряжений, первый вход которого через блок выделения модуля напряжений соединен с выходом первого усилителя, второй вход - подключен к выходу первого блока памяти, а выход - ко входу второго усилителя, и источник эталонного напряжения, при этом вторые входы второго и третьего электронных ключей объединены и подключены к выходу второго усилителя и первому входу компаратора, второй вход компаратора подключен к выходу источника эталонного напряжения, выход коммутатора соединен со вторым входом первого усилителя, второй выход мультивибратора подключен ко вторым входам второй и третьей схем совпадений, выход третьей схемы совпадений подключен к первому входу третьего электронного ключа, а вход регистратора соединен с выходом вычитающего устройства.

При таком выполнении устройства для измерения электрокожного сопротивления за счет введения коммутатора, калиброванного резистора, блока выделения модуля напряжений, блока вычитания, дополнительного электронного ключа, блока памяти, схемы совпадений и источника эталонного напряжения обеспечивается возможность получения линейной шкалы измерения электрокожного сопротивления, что позволило повысить точность измерения в широком диапазоне изменения значений информативных сопротивлений.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит объект исследования (участок кожного покрова), представленный в виде узла 1 (эквивалентной схемы замещения участка кожного покрова), измерительный электрод 2, первый и второй пассивные электроды 3, 4, калиброванный резистор 5, четвертый электронный ключ 6, коммутатор 7, первый усилитель 8, распределитель 9 импульсов, блок 10 выделения модуля напряжений, второй электронный ключ 11, третий электронный ключ 12, управляемый делитель 13 напряжений, первый блок 14 памяти, второй блок 15 памяти, третий блок 16 памяти, второй усилитель 17, блок 18 вычитания, эталонный источник 19 напряжения, компаратор 20, первый электронный ключ 21, регистратор 22. Распределитель 9 импульсов включает мультивибратор 23, третью схему 24 совпадений, триггер 25, вторую схему 26 совпадений и первую схему 27 совпадений.

Схема 1 замещения кожного покрова представлена в виде модели Шеффера без учета малого значения сопротивления подкожных тканей (см. Macs Phillippe. Изучение импеданса кожи человека для низкочастотных токов. -These. dat.Ing. Univ. Nancy, 1973 - 96 p.), где E1, E2 и E3 - электрокожные потенциалы, а R_x, R1 и R2 - электрокожные сопротивления в точках расположения измерительного электрода 2 - (A1 - точке акупунктуры) пассивных электродов 3, 4 (в индифферентных точках кожного покрова A₂ и A₃) соответственно.

Калиброванный регистр 5 предназначен для создания в цепи между электродами 2, 3 измерительного тока. В качестве калиброванного резистора используются точные постоянные резисторы типа ПТМН-0,5 с сопротивлением 100 - 500 кОм, выбираемые в зависимости от заданного диапазона измерений и необходимого значения измерительного тока.

Четвертый электронный ключ 6 обеспечивает возможность подключения к первому пассивному электроду 3 калиброванного резистора 5 при подаче на первый его вход управляющего сигнала с первого выхода триггера 25. Ключ выполнен на одном элементе микросхемы К176КТ1.

Коммутатор 7 предназначен для подключения второго входа первого усилителя 8 к цепям первого 3 и второго 4 пассивных электродов при поступлении на его третий вход управляющего сигнала с выхода первой схемы 27 совпадений. Коммутатор 7 выполнен на двух элементах микросхемы К176КТ1 и одном элементе микросхемы К176ЛН1.

Первый усилитель 8 представляет собой дифференциальный усилитель постоянного тока с большим входным сопротивлением (100 МОм и более) и предназначен для усиления разности потенциалов между его первым и вторым входами. Усилитель выполнен на двух микросхемах К140УД1208 и одной микросхеме К154УД1 в виде масштабного дифференциального усилителя.

Распределитель 9 импульсов предназначен для выработки управляющих сигналов для включения электронных ключей 6, 11, 12, 21 и переключения коммутатора 7 в заданные моменты времени. Распределитель выполнен на мультивибраторе 23, схемах совпадений 24, 26, 27 и триггере 25 со счетным входом. Мультивибратор и схемы совпадений выполнены на микросхемах К561ЛА7, в качестве триггера использована микросхема К176ТВ1.

Блок 10 выделения модуля напряжений предназначен для формирования на выходе напряжений одной полярности со значением, равным значению входного напряжения. Он выполнен на двух микросхемах К154УД1 в виде двух масштабных усилителей с противофазным подключением входов.

Электронные ключи 11 и 12 предназначены для подключения входов блоков 15, 16 памяти к выходу второго усилителя 17 в моменты времени при воздействии на их первые входы управляющих сигналов с выходов второй 26 и третьей 24 схем совпадений. Электронные ключи выполнены аналогично электронному ключу 6 на элементах микросхемы К176КТ1.

Управляемый делитель 13 напряжений предназначен для измерения входного напряжения второго усилителя 17 по управляющему напряжению, подаваемому с первого блока 14 памяти. Управляемый делитель 13 напряжений выполнен по схеме делителя напряжений на постоянном резисторе и управляемом полупроводниковом сопротивлении, в качестве которого использован полевой транзистор КП103М1.

Первый блок 14 памяти предназначен для запоминания выходного напряжения компаратора 20, подаваемого на блок памяти при включении первого электронного ключа 21. Он выполнен в виде запоминающего конденсатора.

Второй блок 15 и третий блок 16 памяти предназначены для запоминания выходных напряжений второго усилителя 17 в моменты времени при включении электронных ключей 11, 12. Блоки выполнены аналогично блоку 14 памяти.

Второй усилитель 17 предназначен для усиления подаваемых на его вход постоянных напряжений с выхода управляемого делителя 13 напряжений. Он выполнен в виде масштабного усилителя постоянного тока на микросхеме типа K154УД1.

Блок 18 вычитания предназначен для формирования выходного напряжения, пропорционального разности напряжений второго блока 15 и третьего блока 16 памяти. Блок выполнен на операционном усилителе К154УД1.

Источник 19 эталонного напряжения предназначен для формирования заданного эталонного напряжения, подаваемого на второй вход компаратора 20. Он выполнен на стабилитроне КС162А и полевом транзисторе КП103И.

Компаратор 20 предназначен для сравнения выходного напряжения второго усилителя 17 с эталонным напряжением источника 19. Компаратор выполнен на микросхеме К154УД1.

Первый электронный ключ 21 предназначен для подключения выхода компаратора 20 ко входу второго блока памяти при подаче управляющего напряжения с выхода первой схемы совпадения 27. Он выполнен аналогично электронному ключу 6.

Регистратор 22 предназначен для регистрации измеряемого значения электрокожного сопротивления. В качестве регистратора использован стрелочный микроамперметр типа М42103.

Устройство для измерения электрокожного сопротивления работает следующим образом.

Индифферентные электроды 3, 4 фиксируются в индифферентной области кожного покрова 1, а измерительный электрод 2 прижимается контактной поверхностью к кожному покрову в исследуемой зоне точки акупунктуры.

В течение одного цикла работы распределителя 9 импульсов четвертый электронный ключ 6 открыт в первую половину цикла и закрыт во вторую половину цикла, первый электронный ключ 21 включается в первую четверть цикла с одновременным включением коммутатора 7, во вторую четверть цикла коммутатор 7 переключается в исходное состояние и включается третий электронный ключ 12, в четвертую четверть цикла включается второй электронный ключ 11.

В первую четверть цикла работы распределителя 9 импульсов открыты первый 21 и четвертый 6 электронные ключи и включен коммутатор 7. При этом между измерительным электродом 2 и первым пассивным электродом 3 (между точками A₁, A₂) подключается калиброванный резистор 5 сопротивлением R_o, и через него протекает ток I, равный: I = E1 - E2 / R_x+R₁+R₀ От этого тока на калиброванном резисторе 5 создается падение напряжения U₁: I = (E1 - E2)R₀ / R_x+R₁+R₀ (1).

Это напряжение через включенный коммутатор 7 прикладывается между первым и вторым входами первого усилителя 8 и через включенные последовательно первый усилитель 8, блок 10 выделения модуля напряжений, управляемый делитель 13 напряжений и второй усилитель 17 проходит на выход усилителя 17, выходное напряжение которого можно представить в виде U_у2-1 = K_у1K(U)K_у2U₁, (2) где K_у1 - коэффициент усиления первого усилителя 8; K(U) - коэффициент передачи блока 10 выделения модуля напряжений и управляемого делителя 13 напряжений; K_у2 - коэффициент усиления второго усилителя 17.

Это напряжение прикладывается к первому входу компаратора 20 и сравнивается с напряжением U₀ источника 19 этапного напряжения, приложенного ко второму входу компаратора 20. Пропорционально разности напряжений U_у2 и U₀ на выходе компаратора 20 формируется напряжение, которое в первую четверть цикла работы распределителя 9 импульсов через открытый электронный ключ 21 будет приложено ко входу первого блока 14 памяти. С выхода первого блока 14 памяти напряжение воздействует на вход управляемого делителя 13 напряжений, изменяя коэффициент его передачи K(U). Изменение выходного напряжения компаратора 20 и коэффициента передачи K(U) управляемого делителя 13 напряжений будет происходить до тех пор, пока выходное напряжение второго усилителя 17 на станет равным напряжению U₀. Длительность периода цикла распределителя 9 импульсов выбрана такой, чтобы процесс установления равенства напряжения U_у2-1 = U₀ заканчивался в первую четверть цикла.

После времени переходного процесса выражение (2) можно переписать в виде U_у2-1 = K_у1K(U)K_у2U₁ = U₀ или
K = K_у1K(U)K_у2 = U₀/U₁,
где K - общий коэффициент передачи усилительного канала, состоящего из включенных последовательно первого усилителя 8, блока 10 выделения модуля напряжений, управляемого делителя 13 напряжений и второго усилителя 17.

После первой четверти цикла работы распределителя 9 импульсов первый электронный ключ 21 закрывается и в первом блоке 14 памяти запоминается выходное напряжение компаратора 20, соответствующее установившемуся значению общего коэффициента передачи K усилительного канала в первой четверти цикла. Это напряжение и соответствующий общий коэффициент передачи K остаются неизменными в течение последующих трех четвертей цикла работы распределителя 9 импульсов.

Коммутатор 9 после первой четверти цикла переключается в исходное состояние, при котором второй вход первого усилителя 8 подключается ко второму пассивному электроду 4 (к точке A₃) и в последующих трех четвертях цикла работы между входами первого усилителя 8 прикладывается разность потенциалов точек A₁, A₃.

Во второй четверти цикла включается третий электронный ключ 12 и продолжает оставаться включенным четвертый электронный ключ 6. При этом в цепи между точками A₁, A₂ продолжает протекать ток I. Этот ток на электрокожном сопротивлении R_x создает падение напряжения U_Rx. Пренебрегая влиянием входного сопротивления первого усилителя 8 его входное напряжение U₂, равное разности потенциалов точек A₁ и A₂, для второй четверти цикла работы распределителя 9 импульсов можно представить в виде
U₂ = E1 - E3 - IR_x. (3)
В выражении (3) величина IR_x с отрицательным знаком взята условно при определенной полярности источников ЭДС E1, E2. Это напряжение будет усиливаться усилительным каналом устройства, имеющим коэффициент усиления K, и на выходе второго усилителя 17 во второй четверти цикла будет сформировано напряжение U_у2-2, равное
U_у2-2 = KU₂ = K_у1K(U)K_у2U₂ = (U₀/U₁)U₂. (4)
Это напряжение через открытый третий электронный ключ 12 будет воздействовать на вход третьего блока 16 памяти, запоминаясь в нем на последующее время работы распределителя 9 импульсов.

В третью четверть цикла работы распределителя 9 импульсов выключается четвертый электронный ключ 6 и закрывается третий электронный ключ 12. При этом калиброванный резистор 5 отключается от цепи между точками A₁, A₂, что приводит к прекращению тока I, и за время третьей четверти цикла проходит переходной процесс изменения падения напряжения на электрокожном сопротивлении R_x. После окончания переходного процесса между входами первого усилителя 8 устанавливается напряжение U₃, равное
U₃ = E1 - E3. (5)
Это напряжение проходит через усилительный канал и на выходе второго усилителя 17 формируется напряжение U_у2-3
U_у2-3 = KU₃ = K_у1K(U)K_у2U₃ = (U₀/U₁)U₃. (6)
В четвертую четверть цикла открывается второй электронный ключ 11 и напряжение U_у2-3 запоминается во втором блоке 15 памяти.

После завершения цикла работы распределителя 9 импульсов на выходах блоков памяти 15, 16 сформируются напряжения U_у2-2 и U_у2-3. Эти напряжения воздействуют на входы блока 18 вычитания, на выходе которого формируется напряжение U_B, равное:
U_B = U_у2-2 - U_у2-3. (7)
Подставляя в выражение (7) выражения (4), (6) получим:
U_B = (U₂-U₃)U₀/U₁. (8)
Если в выражении (8) напряжения U₂, U₃ заменить значениями из выражений (3), (5), то для модуля напряжения получим:
U_B = U₀/U₁ IR_x.

А т.к. U1/R₀=I, то окончательно перепишем:
U_B = U₀/R₀R_x. (9)
Выходное напряжение блока 18 вычитания подается на регистратор 22, с помощью которого обеспечивается регистрация измеряемого сопротивления R_x.

Как видно из выражения (9) в устройстве осуществляется линейное преобразование измеряемого сопротивления R_x в выходное напряжение U_B с коэффициентом преобразования, равным U₀/R₀. Это позволяет осуществлять точное измерение электрокожного сопротивления. Причем, изменяя отношение U₀/R₀, можно в устройстве изменять диапазоны измерения, реализуя возможности построения многодиапазонных измерительных приборов, позволяющих получать высокую точность измерения за счет минимальных погрешностей отсчета измеряемых значений по шкале регистратора.

Поскольку электрокожное сопротивление в некоторых пределах зависит от значения измерительного тока, изменение которого можно осуществлять путем изменения значения калиброванного резистора, то согласно выражению (9) в предлагаемом устройстве можно изменять значение измерительного тока путем изменения сопротивления калиброванного резистора при одновременном пропорциональном изменении напряжения U₀ эталонного источника напряжения так, чтобы отношение U₀/R₀ оставалось постоянным. При этом регистрируемое регистратором 22 значение электрокожного сопротивления изменяться не будет. А это дополнительно повышает точность измерений за счет исключения погрешностей от нелинейности измеряемого электрокожного сопротивления при выборе постоянного значения измерительного тока.

Таким образом, в устройстве для измерения электрокожного сопротивления повышается точность измерения электрокожного сопротивления в широком диапазоне регистрируемых значений сопротивлений, что обеспечивает высокую достоверность получаемых результатов и является основой для высокой повторяемости метрологических характеристик приборов при их серийном производстве.

Формула изобретения

Устройство для измерения электрокожного сопротивления, содержащее два усилителя, измерительный электрод, подключенный к первому входу первого усилителя, два пассивных электрода, компаратор, выход которого через первый электронный ключ соединен с входом первого блока памяти, две схемы совпадений, первые входы которых раздельно соединены с первым и вторым выходами триггера, выходы раздельно подключены к первым входам первого и второго электронных ключей, второй вход первой схемы совпадения соединен с первым выходом мультивибратора и входом триггера, второй блок памяти и регистратор, отличающееся тем, что в него введены третий блок памяти, третий электронный ключ, третья схема совпадения, блок выделения модуля напряжений и коммутатор, первый и второй входы которого подключены раздельно к первому и второму пассивным электродам, а третий вход - к выходу первой схемы совпадений, четвертый электронный ключ, первый вход которого подключен к первым входам первой и третьей схем совпадений, второй вход подключен к первому пассивному электроду, а выход соединен через калиброванный резистор с измерительным электродом, блок вычитания, входы которого раздельно соединены через второй и третий блоки памяти с выходами второго и третьего электронных ключей, управляемый делитель напряжений, первый вход которого через блок выделения модуля напряжений соединен с выходом первого усилителя, второй вход подключен к выходу первого блока памяти, а выход - к входу второго усилителя, и источник эталонного напряжения, при этом вторые входы второго и третьего электронных ключей объединены и подключены к выходу второго усилителя и первому входу компаратора, второй вход компаратора подключен к выходу источника эталонного напряжения, выход коммутатора соединен с вторым входом первого усилителя, второй выход мультивибратора подключен к вторым входам второй и третьей схем совпадений, выход третьей схемы совпадений подключен к первому входу третьего электронного ключа, а вход регистратора соединен с выходом вычитающего устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1