Устройство для измерения энергетических параметров биологических тканей

 

Изобретение предназначено для использования в медицине и ветеринарии для точной оценки электрических свойств биологической ткани и, в частности, для оценки энергетического состояния точек акупунктуры. Устройство для измерения энергетических параметров биологических тканей включает активный и пассивный электроды, устанавливаемые на поверхности биологической ткани. Преобразователь ток-напряжение, селектор полярности электрических импульсов и милливольтметр; последовательно соединены. Имеются также источник электрической энергии, автогенератор, выполненный с возможностью переключения полярности его выходного сигнала электронным переключателем, в одном положении которого индифферентный электрод замкнут через низкоомный вход преобразователя ток-напряжение с активным электродом. Выводы источника электрической энергии и преобразователя ток-напряжение подключены к индифферентному и активному электродам соответственно. В другом положении электронного переключателя он подключен через устройство преобразования электрического тока воздействия к источнику электрической энергии. Один вход перемножителя электрических сигналов подключен к активному электроду, второй вход - к устройству преобразования электрического тока воздействия, а его выход к одному из входов сравнивающего устройства, второй вход которого соединен с задатчиком электрической мощности, а выход - с усилителем рассогласования. Выход усилителя рассогласования подключен к выводу управления источника электрической энергии. Перемножитель электрических сигналов, сравнивающее устройство и усилитель рассогласования образуют контур с отрицательной обратной связью. Устройство позволяет улучшить повторяемость результатов измерений и повысить метрологическую надежность. 1 ил.

Изобретение может быть использовано в медицине и ветеринарии для точной оценки электрических свойств биологической ткани и, в частности, для оценки энергетического состояния точек акупунктуры.

Известны приборы и устройства, предназначенные для измерения электрических параметров биологической ткани. С помощью их измеряется ток или разность потенциалов между двумя электродами, установленными на биологической ткани, или измеряется сопротивление, проводимость или импеданс между этими электродами.

Приборы, измеряющие разность потенциалов, например [1], [2], имеют следующие существенные признаки: активный электрод, который обычно имеет малую площадь поперечного сечения, устанавливаемый на поверхность биологической ткани, потенциал которой оценивается; пассивный (индифферентный) электрод, устанавливаемый на определенную зону биологической ткани, обычно имеющий большую площадь поверхности, контактирующей с тканью; милливольтметр постоянного тока; активный и индифферентный электроды подключены ко входу милливольтметра.

Недостатками их являются плохая воспроизводимость результатов измерений и как следствие низкая метрологическая надежность показаний. Это в определенной степени обусловлено тем, что потенциал зон кожного покрова биологической ткани быстро меняется в результате электродермальных реакций, возникающих как ответ на воздействие физических и химических раздражителей [3].

Кроме того, результаты измерений зависят от материала электродов, качества подготовки их поверхности, силы механического давления на биологическую ткань, активности потовыделительной системы, температуры окружающей среды. Так при многократных измерениях разность потенциалов может изменяться от сотен мкВ до сотен мВ.

Приборы и устройства, измеряющие электрическое сопротивление или импеданс биологической ткани, имеют следующие существенные признаки [4]: активный и индифферентный электроды, устанавливаемые на биологическую ткань; источник электрической энергии, в качестве которого использован генератор электрического тока, имеющий высокое внутреннее сопротивление; устройство для измерения падения напряжения соединены параллельно и подключены к активному и индифферентному электродам. Приборы и устройства, измеряющие электрическую проводимость или величину обратную импедансу, имеют следующие существенные признаки [5]: активный и индифферентный электроды, устанавливаемые на биологическую ткань; источник электрической энергии, в качестве которого используется генератор напряжения с малым внутренним электрическим сопротивлением; устройство, измеряющее электрический ток с малым входным сопротивлением; источник электрической энергии и устройство, измеряющее электрический ток соединены последовательно и подключены к активному и индифферентному электродам.

Недостатками приборов измеряющих сопротивление или проводимость биологических тканей являются плохая воспроизводимость результатов измерений, низкая метрологическая надежность получаемых показаний, изменения их с течением времени и в зависимости от температуры окружающей среды.

С участием автора предложен новый способ определения электрических энергетических параметров биологической ткани [6]. Сущность его заключается в том, что к активному и индифферентному электроду на определенный промежуток времени подключается источник электрической энергии, а после окончания заданного временного интервала активный и индифферентный электроды замыкаются накоротко и измеряется электрический ток, протекающий в этой цепи.

Прототипом предлагаемого прибора является устройство, в котором реализован выше описанный способ [7]. Существенные признаки его: активный и индифферентный электроды, устанавливаемые на биологическую ткань; источник электрической энергии с малым внутренним сопротивлением; устройство для измерения электрического тока, состоящее из включенных каскадно преобразователя ток-напряжение и милливольтметра; электронный переключатель; селектор полярности электрических импульсов; автогенератор сигналов управления электронным переключателем; электронный переключатель включен в разрыв цепи между соединенными последовательно источником электрической энергии и входной цепью устройства для измерения электрического тока и обеспечивает отключение источника электрической энергии от соответствующего вывода устройства измерения электрического тока и подключение этого вывода к общей шине на промежуток времени, в течение которого источник энергии отключен; селектор полярности электрических импульсов включен между преобразователем ток-напряжение и милливольтметром; выходной сигнал автогенератора сигналов управления электронным переключателем, выход которого соединен с выводами управления электронного переключателя, задает длительность циклов переключения электронного переключателя. Все существенные признаки прототипа являются общими с заявляемым устройством.

Недостатком такого технического решения является недостаточно высокая объективность получаемых результатов измерений. Это обусловлено тем, что биологическая ткань имеет нелинейную вольтамперную характеристику. Причем изменение электрического сопротивления происходит как под влиянием напряженности электрического поля, так и вследствие протекания электрического тока. Во всех аналогах и прототипах это не учтено. Измерение параметров нелинейного электрического сопротивления, которым является биологическая ткань, ведется в неопределенном режиме при разных значениях напряженности электрического поля и электрического тока. Получить результаты адекватно характеризующие состояние биологической ткани при таких неопределенных режимах измерений нельзя. Поэтому все известные аналоги и прототипы предлагаемого устройства не позволяют получить удовлетворительной метрологической надежности. Результаты измерений плохо повторяются и существенно изменяются в течение конечного промежутка времени.

Задачей предлагаемого изобретения является улучшение повторяемости результатов измерения, повышение метрологической надежности и уменьшение временных изменений показаний устройства.

Это достигается за счет того, что в известное устройство, содержащее активный и пассивный электроды с возможностью их установки на поверхности биологической ткани, последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение, селектор полярности электрических импульсов и милливольтметр; источник электрической энергии, автогенератор, выполненный с возможностью переключения полярности его выходного сигнала электронным переключателем, в одном положении которого индифферентный электрод замкнут через низкоомный вход преобразователя ток-напряжение с активным электродом, выводы источника электрической энергии и преобразователя ток-напряжение подключены к индифферентному и активному электродам соответственно отличающийся тем, что в другом положении электронного переключателя он подключен через устройство преобразования электрического тока воздействия к источнику электрической энергии, один вход перемножителя электрических сигналов подключен к активному электроду, второй вход - к устройству преобразования электрического тока воздействия, а его выход к одному из входов сравнивающего устройства, второй вход которого соединен с задатчиком электрической мощности, а выход - с усилителем рассогласования, выход которого подключен к выводу управления источника электрической энергии, с возможностью образования перемножителем электрических сигналов, сравнивающим устройством и усилителем рассогласования контура с отрицательной обратной связью.

Благодаря совокупности вышеперечисленных существенных признаков обеспечивается неизменность мощности, которая рассеивается в биологической ткани в форме теплоты вне зависимости от ее состояния.

В итоге режим измерения становится определенным. Это режим заданной мощности, рассеиваемой в объекте измерения. Соответственно улучшается воспроизводимость и объективность показаний, так как при любом их состоянии рассеиваемая мощность будет одинакова и показания при этой заданной мощности однозначно характеризуют состояние биологической ткани. Измерения в режиме заданной мощности создают определенность в показаниях и хорошую их воспроизводимость при любом вводе нелинейности. Временная стабильность показаний получается значительно лучше вследствие отсутствия действия положительной внутренней обратной связи, характерной для существенно нелинейных систем. Так, если у прототипа в результате воздействия электрическим током на биологическую ткань электрическое сопротивление ее уменьшится, то это приводит к увеличению электрической мощности, рассеиваемой на биологической ткани, что в свою очередь вызовет дальнейшее уменьшение электрического сопротивления и т.д. В предлагаемом устройстве любая внутренняя обратная связь, подобная описанной выше, отсутствует полностью. Поэтому если под влиянием электрического тока все же произошло изменение электрического сопротивления, то оно не вызовет изменение рассеиваемой мощности и дальнейшего изменения электрического сопротивления. Таким образом благодаря введению дополнительных существенных признаков у предлагаемого устройства появляются новые качества, не присущие известным аналогам и прототипу.

Структурная схема предлагаемого устройства для измерения энергетических параметров биологических тканей приведена на чертеже, где 1 - активный электрод; 2 - преобразователь ток-напряжение, имеющий малое (омы - сотня ом) входное сопротивление; 3 - селектор полярности импульсов; 4 - милливольтметр; 5 - индифферентный электрод; 6 - электронный переключатель; 7 - задатчик электрической мощности; 8-устройство преобразования электрического тока воздействия; 9 - перемножитель электрических сигналов; 10 - сравнивающее устройство; 11 - усилитель рассогласования; 12 - источник электрической энергии с малым внутренним сопротивлением, управляемым электрическим сигналом; 13 - автогенератор, предназначенный для управления электронным переключателем. К активному и индифферентному электродам переключателем 6 подключается или соединенные последовательно входная цепь преобразователя ток-напряжение 2, устройство преобразования электрического тока воздействия 8, источник электрической энергии 12 (положение 2 переключателя 6), при одной полярности выходного сигнала автогенератора 13. При другой полярности сигнала автогенератора 13 активный 1 и индифферентный электроды 5 замыкаются на низкоомный вход преобразователя ток-напряжение 2 (положение 1 переключателя 6), выход которого подключен ко входу селектора полярности импульсов 3. Он пропускает импульсы напряжения одной полярности и не пропускает импульсы напряжения другой полярности, выход селектора полярности импульсов 3 подключен ко входу милливольтметра 4. Один из входов перемножителя напряжения 9 подключен к активному электроду 1, а второй к выходу устройства преобразователя электрического тока воздействия 8. Преобразование заключается в том, что ток воздействия преобразуется в напряжение, подаваемое на один из входов перемножителя 9. На его выходе электрический сигнал будет пропорционален мгновенному значению электрической мощности P_тк, рассеиваемой на биологической ткани, так как один из сигналов пропорционален электрическому току, а другой - падению напряжения, созданному этим током в биологической ткани, а перемножитель 9 перемножает их. Электрический сигнал, пропорциональный мощности P_тк, сравнивается в сравнивающем устройстве 10 с электрическим сигналом задатчика электрической мощности 7. Их разница усиливается усилием рассогласования 11, выходным сигналом которого управляется источник электрической энергии 12 (положение 2 переключателя 6), при одной полярности выходного сигнала автогенератора 13. При другой полярности сигнала автогенератора 13 активный 1 и индифферентный электроды 5 замыкаются на низкоомный вход преобразователя ток-напряжение 2 (положение 1 переключателя 6), выход которого подключен ко входу селектора полярности импульсов 3. Он пропускает импульсы напряжения одной полярности и не пропускает импульсы напряжения другой полярности. Выход селектора полярности импульсов 3 подключен ко входу милливольтметра 4. Один из входов перемножителя напряжений 9 - подключен к активному электроду 1, а второй к выходу устройства преобразования электрического тока воздействия 8. Преобразование заключается в том, что ток воздействия преобразуется в напряжение, подаваемое на один из входов перемножителя 9. На его входе электрический сигнал будет пропорционален мгновенному значению электрической мощности P_тк, рассеиваемой на биологической ткани, так как один из сигналов пропорционален электрическому току, а другой падению напряжения, созданному этим током в биологической ткани, а перемножитель 9 перемножает их. Электрический сигнал, пропорциональный мощности P_тк, сравнивается в сравнивающем устройстве 10 с электрическим сигналом задатчика электрической мощности 7. Их разница усиливается усилителем рассогласования 11, выходным сигналом которого управляется источник электрической энергии.

Работу устройства рассмотрим с момента времени, когда на выходе автогенератора 13 появится сигнал, который установит электронный переключатель 6 в положение 2. В этом случае напряжение источника электрической энергии 12 оказывается приложенным к активному и индифферентному электродам, так как входные сопротивления преобразователя ток-напряжение 2 и устройства преобразования электрического тока воздействия 8 невелики и их значения на два или более порядков меньше электрического сопротивления биологической ткани, емкостей слоев кожного покрова, разности потенциалов, имеющейся между зонами кожного покрова, на которой установлены электроды, напряжения источника электрической энергии 12.

Ток воздействия преобразуется в напряжение в устройстве преобразования электрического тока воздействия 8 и подается на один из входов перемножителя электрических сигналов 9. На второй вход его подается падение напряжения на биологической ткани, снимаемое с активного и индифферентного электродов. На выходе перемножителя будет электрический сигнал, пропорциональный заданной мгновенной электрической мощности, рассеиваемой в биологической ткани. Он подается на сравнивающее устройство 10, на второй вход которого подан электрический сигнал от задатчика электрической мощности 7. Разность этих сигналов усиливается усилителем рассогласования 11, выход которого подключен к выводу управления напряжением источника электрической энергии 12. Так, если сигнал мгновенной мощности на входе сравнивающего устройства меньше сигнала задатчика электрической мощности, то напряжение усилителя рассогласования, поданное на вывод управления источником электрической мощности, увеличивает выходное напряжение последнего, а соответственно и электрический ток через биологическую ткань и рассеиваемую мощность. При большом коэффициенте усиления усилителя рассогласования (K → ∞) мгновенная электрическая мощность, рассеиваемая в биологической ткани, будет иметь постоянное значение, заданное задатчиком электрической мощности, она не будет зависеть от состояния биологической ткани, находящейся между зонами, на которых установлены электроды. Таким образом в течение всего времени воздействия электрического тока и напряжения на биологическую ткань значение электрической мощности остается неизменным и не зависящим от ее состояния. При воздействии на ткань электрического напряжения к активному электроду приложена положительная полярность и на выходе преобразователя ток-напряжение сигнал будет иметь положительную полярность. Он не пропускается селектором полярности импульсов 2 и на входе милливольтметра 4 в течение этого промежутка времени сигнал равен нулю.

При смене полярности выходного напряжения у автогенератора 13 переключатель 6 переключается в положении 1. При этом активный и индифферентный электроды окажутся замкнуты накоротко через малое сопротивление преобразователя ток-напряжение 2. Между ними потечет электрический ток. Значение его зависит от разности потенциалов, имевшейся между участками биологической ткани, на которых установлены электроды, зарядов емкостей внутри биологической ткани, созданных при воздействии электрического тока, сопротивления биологической ткани. Причем направление этого тока имеет противоположное значение, чем в предыдущий промежуток времени, когда переключатель 6 был в положении 2. Соответственно полярность напряжения на выходе преобразователя ток-напряжение 2 будет иметь отрицательную полярность. Это напряжение пропускается селектором полярности электрических сигналов и измеряется милливольтметром 4. В зависимости от состояния биологической ткани импульс электрического тока, возникающий при замыкании электродов на малое входное сопротивление преобразователя ток-напряжение, имеет разное пиковое значение и разную скорость его уменьшения. По этим значениям, а также по постоянной составляющей импульсов на выходе селектора полярности импульсов, оценивается состояние биологической ткани. Причем постоянная составляющая измеряемая с помощью милливольтметра 4 характеризует интегрально энергетическое состояние биологической ткани.

Положительный эффект от введения существенных признаков заключается в том, что благодаря им обеспечивается режим заданной электрической мощности, рассеиваемой на биологической ткани при воздействии на нее электрическим током. Так как электрические параметры биологической ткани зависят и от электрического тока и от электрического наложения, то определенность режима измерения такого существенно нелинейного объекта как биологическая ткань может быть только в случае определенности режима измерения, которым может быть только постоянная заданная электрическая мощность. Определенность режима измерения обеспечивает улучшенную воспроизводимость результатов измерений. Поэтому появляется возможность количественно оценивать параметры биологической ткани в абсолютном значении, что в известных устройствах дутого типа выполнить затруднительно. В предлагаемом устройстве отсутствует внутренняя обратная связь, при которой в результате воздействия электрического тока или напряжения происходит изменение электрических параметров биологической ткани, которое приводит к увеличению (уменьшению) рассеиваемой в ней электрической мощности и к дальнейшему изменению ее параметров, что вызывает дополнительное увеличение или уменьшение рассеиваемой мощности. Вследствие неизменности рассеиваемой мощности в предложенном устройстве отсутствует внутренняя обратная связь и метрологическая надежность показаний значительно больше, а временная нестабильность показаний существенно выше.

Все функциональные узлы, примененные в устройстве хорошо известны в электронике. Так, например, на операционном усилителе, может быть выполнен преобразователь ток-напряжение 2. Роль селектора полярности импульсов 3 может выполнить полупроводниковый диод. Электронные милливольтметры хорошо известны в технике и выпускаются промышленностью. Электронные переключатели 6 выпускаются серийно, микросхемы серий 590, 591, 564. Перемножитель 9 и усилитель рассогласования могут быть выполнены на микросхемах, например, 525ПС2 и 140УД7 соответственно или подобных. Задатчиком электрической мощности 7 может служить регулируемый источник постоянного напряжения, выполненный, например, на основе делителя напряжения. Сравнивающее устройство 10 может быть выполнено на основе операционного усилителя, включенного вычитающим устройством. Управляемые электрическим сигналом источники постоянного напряжения в технике хорошо известны и широко применяются в различных схемах источников питания. Устройство преобразования электрического тока воздействия 8 представляет собой преобразователь ток-напряжение, который может быть выполнен на основе операционного усилителя или содержать трансформатор тока и любой из известных преобразователей ток-напряжение. В качестве автогенератора 13 могут быть использованы микросхемы мультивибраторов.

Источники информации 1. Методика измерения биофизических параметров точек акупунктуры / Е.П. Кожевников, Ю.Д.Кочетков, М.Г.Краснов. В кн. "Теория и практика рефлексотерапии". Изд-во Саратовского университета. 1981, с. 202 - 205.

2. Гусев В. Г. Приборная рефлексодиагностика и концептуальные вопросы создания технических средств для ее проведения. В журнале "Акупунктура и традиционные методы лечения". Москва - Кемерово. Изд-во Народная медицина. 1992, N 1, с. 5-18.

3. Алдерсонс А. А. Механизмы электродермальных реакций. Рига, Зинатне, 1985.

4. Авторское свидетельство СССР N 940773 Устройство для обнаружения точек акупунктуры /В.Г.Гусев и др. БИ N 25, 1982.

5. Портнов Ф.Г. Электропунктурная рефлексотерапия. Рига, Зинатне, 1988, с. 109-113.

6. Авторское свидетельство СССР N 1806724. Способ оценки электрофизического состояния точек акупунктуры.

7. Патент России N 2057519 Устройство для измерения электрических параметров зон биологической ткани /Гусев В.Г.

Формула изобретения

Устройство для измерения энергетических параметров биологических тканей, содержащее активный и пассивный электроды, с возможностью их установки на поверхности биологической ткани, последовательно соединенные преобразователь ток-напряжение, селектор полярности электрических импульсов и милливольтметр, источник электрической энергии, автогенератор, выполненный с возможностью переключения полярности его выходного сигнала электронным переключателем, в одном положении которого индифферентный электрод замкнут через низкоомный вход преобразователя ток-напряжение с активным электродом, выводы источника электрической энергии и преобразователя ток-напряжение подключены к индифферентному и активному электродам, соответственно отличающееся тем, что в другом положении электронного переключателя он подключен через устройство преобразования электрического тока воздействия к источнику электрической энергии, один вход перемножителя электрических сигналов подключен к активному электроду, второй вход - к устройству преобразования электрического тока воздействия, а его выход к одному из входов сравнивающего устройства, второй вход которого соединен с задатчиком электрической мощности, а выход - с усилителем рассогласования, выход которого подключен к выводу управления источника электрической энергии, с возможностью образования перемножителем электрических сигналов, сравнивающим устройством и усилителем рассогласования контура с отрицательной обратной связью.

РИСУНКИ

Рисунок 1