Устройство для импедансометрии живых тканей биологического объекта

 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к электронным устройствам для диагностики заболеваний и исследования сердечно-сосудистой системы. Технический результат - расширение диагностических возможностей. Устройство содержит генераторный блок, включающий генератор импульсов, формирователь импульсов и усилитель мощности, трансформатор, датчик, включающий катушку индуктивности и конденсатор постоянной емкости, соединенные параллельно, и регистратор, вход которого соединен с выходом датчикового устройства. Включает также два металлических электрода, которые посредством двухполюсного разъема и двух конденсаторов постоянной емкости соединены с выходными выводами датчика. Параллельно выходу датчика включена цепь, состоящая из последовательно соединенных двухпозиционного переключателя и переменного резистора. Устройство производит измерение объемного и приповерхностного импеданса биологического объекта. Регистратор устройства производит измерение добротности измерительного колебательного контура. При измерении использованы способ ударного возбуждения, основанный на определении декремента затухания свободных колебаний в параллельном колебательном контуре. 1 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к приборам для функциональной диагностики.

Известно устройство для высокочастотной импедансометрии живых тканей биологических объектов, описание которого приведено в патенте РФ N 1827160 от 10.07.1990 года.

Устройство содержит генераторный блок, трансформатор, датчик и регистратор. Датчик выполнен в виде двух измерительных катушек индуктивности. Биологический объект при измерении размещается внутри катушки индуктивности. Устройство измеряет импеданс колебательного контура без биологического объекта и с биологическим объектом.

Импеданс биологического объекта определяется по известным формулам, приведенным в статье Д. С. Рябоконя "Импедансометрия живых тканей биологических объектов", Техника радиосвязи, выпуск 2, 1995 год, с. 176-182.

Недостатком известного устройства является то, что оно имеет ограниченные эксплуатационные возможности. Измерение импеданса производится только у биологического объекта внутри обмотки измерительной катушки.

Задача изобретения - расширение эксплуатационных возможностей.

Это достигается тем, что в устройство для импедансометрии живых тканей биологического объекта, содержащее генераторный блок, трансформатор, датчик и регистратор, дополнительно введены два металлических электрода, которые посредством введенных двухполюсного разъема и двух конденсаторов постоянной емкости соединены с выходом датчика, а также подключенная параллельно выходу датчика цепь, состоящая из последовательно соединенных двухпозиционного переключателя переменного резистора, при этом датчик выполнен в виде параллельного колебательного контура.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что устройство имеет возможность производить измерение импеданса биологического объекта, размещенного внутри обмотки измерительной катушки (объемный импеданс) и импеданс живых тканей биологического объекта, размещенного между электродами (приповерхностный импеданс), что расширяет диагностические возможности устройства. Наличие переменного резистора позволяет сразу по шкале определить величину активной составляющей импеданса биологического объекта.

На чертеже приведена функциональная схема устройства для импедансометрии живых тканей биологического объекта.

Предлагаемое устройство содержит генератор блок 1, включающий в себя генератор импульсов 2, формирователь импульсов 3 и усилитель мощности 4. Генераторный блок 1 посредством трансформатора 5 и конденсатора 6 соединен с входом датчика 7. Основным элементом датчика является параллельный колебательный контур 8, состоящий из параллельно соединенных катушки индуктивности 9 и конденсатора постоянной емкости 10.

Колебательный контур 8 характеризуется резонансной частотой F_рез, которая определяется величиной индуктивности обмотки катушки 9 и величиной емкости конденсатора 10.

Параллельно выводам контура 8 включена цепь, состоящая из последовательно соединенных двухпозиционного переключателя 11 и переменного резистора 12. Выводы колебательного контура 8 соединены с входом буферного усилителя 13 и посредством конденсаторов 14 и 15 через контакты разъема 16 и 18 с металлическими электродами 17 и 19. Металлические электроды выполнены из нержавеющей стали и имеют площадь 0,2 - 4 см².

Выход датчика 7 соединен с входом регистратора 20, который содержит усилительный тракт 21, состоящий из двух каналов, соединенных параллельно по входу.

Первый канал содержит включенные последовательно широкополосный усилитель 22 с коэффициентом усиления "eπ" и первый компаратор 23, второй - второй компаратор 24.

Выходы компараторов 23 и 24 подключены к входам коммутатора 25 соответственно. Выход коммутатора 25 соединен с первым входом счетчика 26. Управляемый вход коммутатора 25 и второй вход счетчика 26 соединены с выходом генератора 2. Выход счетчика 26 соединен с входом схемы индикации, включающей дешифратор 27 и индикатор 28.

Устройство снабжено автономным источником питания 29.

Датчик 7 выполнен в виде отдельного конструктивного элемента и является сменным. Так, например, для объемной импедансометрии измерительная катушка индуктивности 8 выполнена на цилиндрическом каркасе из твердого высокодобротного диэлектрика, закреплена в отдельном корпусе с внешним экраном. Там же установлены и остальные элементы 10. . . 18.

При реализации устройства применяются каркасы с диаметрами 80, 120, 160, 200 и 220 мм. Для поверхностной импедансометрии при помощи электродов датчик выполнен в виде отдельного конструктивного элемента с размерами 60х60х40 мм.

Катушка индуктивности выполнена на ферритовом сердечнике Б18 из материала массы М700. Однако и обычный датчик с большой катушкой индуктивности может иметь двухполюсный разъем для подключения электродов 17 и 18.

Сущность изобретения состоит в том, что для импедансометрии живых тканей биологического объекта используются датчики, выполненные в виде параллельного колебательно контура.

Составной частью этого контура является индуктивность обмотки измерительной катушки. Измерительная часть устройства измеряет добротность колебательного контура. В устройстве используется метод ударного возбуждения колебательного контура, что позволяет автоматизировать процесс измерения добротности.

При импедансометрии производят измерение объемного импеданса путем помещения биологического объекта внутри обмотки измерительной катушки. Приповерхностный импеданс биологического объекта измеряется при помощи двух электродов, которые через конденсаторы связи подключены к выводам колебательного контура.

Величина активной составляющей импеданса колебательного контура пропорциональна величине добротности и определяется по известным формулам: где R_ое1, R_ое2 - резонансные сопротивления колебательного контура без биологического объекта и с биологическим объектом; F_рез - резонансная частота колебательного контура; L - индуктивность катушки колебательного контура; Q₁ и Q₂ - добротность колебательного контура без биологического объекта. Метод ударного возбуждения основан на определении декремента затухания свободных колебаний в параллельном колебательном контуре.

Устройство работает следующим образом.

Измерительная часть устройства построена по принципу измерителя диэлектрических потерь (добротности), вносимых в измерительный резонансный контур.

Генератор импульсов 2 формирует запускающие импульсы низкой частоты (200 Гц) прямоугольной формы и скважностью - меандр. В формирователе 3 происходит укорочение длительности запускающих импульсов до 10 мкс и последующим усилением по мощности в усилителе 4. Поступающие посредством трансформатора 5 и конденсатора 6 на колебательный контур 8 короткие мощные импульсы возбуждают затухание колебания с частотой, равной резонансной частоте колебательного контура F_рез.

Возбужденные в колебательном контуре электрические колебания усиливаются буферным усилителем 13 и поступают одновременно на входы каналов усилительного тракта 21. В первом канале колебания усиливаются масштабным усилителем 22 с коэффициентом усиления K = eπ= 23,17 и затем поступают на вход компаратора 23.

Во втором канале колебания сразу поступают на вход второго компаратора 24. Усиленные по амплитуде импульсы затухающего колебания, поступающие на компараторы 23 и 24, ограничиваются по амплитуде и формируются по форме. Сформированные таким образом последовательности прямоугольных импульсов поступают с выходов компараторов 23 и 24 на входы коммутатора 25, который работает в цикле по запускающим импульсам генератора 2.

Способ измерения добротности при ударном возбуждении колебательного контура состоит в следующем.

Если из последовательности прямоугольных импульсов, полученных после усиления затухающего колебания в "eπ" раз, вычесть последовательность прямоугольных импульсов, полученных после усиления в 1 раз (алгебраически), то полученный результат в численной форме характеризует величину добротности контура.

Операция сложения и вычитания последовательности прямоугольных импульсов осуществляют счетчики 26, переключаемые в режим сложения и вычитания или вычитания по сигналам с коммутатора 25.

Коммутатор в определенные интервалы времени синхронно с генератором импульсов 2 пропускает последовательности прямоугольных импульсов на вход счетчиков 26. Состояние счетчиков 26 после вычислений преобразуется дешифратором 27 в семисегментный код, который отображается индикатором 28.

Питание устройства осуществляется от автономного источника питания 29.

При проведении импедансометрии живых тканей биологического объема первоначально выбирают датчик с измерительной катушкой необходимого диаметра. Диаметр каркаса должен быть равен 1,1 - 1,25 среднего диаметра биологического объекта.

Соответствующий датчик подключают к разъему устройства и измеряют величину добротности Q₁ без биологического объекта. Затем биологический объект размещают внутри обмотки измерительной катушки, фиксируют величину добротности Q₂.

Вновь производят измерение величин добротности без биологического объекта с включением при помощи переключателя 11 потенциометром 12. Изменяя величину сопротивления резистора 12, добиваются, чтобы добротность контура была равной Q₂.

По шкале переменного резистора фиксируют величину вносимого активного сопротивления биологического объекта. Величина этого сопротивления зависит от отношения диаметров ₁ и D₂, где D₁ - диаметр каркаса измерительной катушки; D₂ - средний диаметр биологического объекта.

При диагностике различных заболеваний важным параметром является отношение добротностей A= Q₁/Q₂, которое может характеризовать то или иное заболевание, а также динамику заболевания [1] . Важен этот коэффициент и при прогнозировании лечения.

Затем к датчику подключают измерительные электроды. Электроды при помощи приспособлений закрепляют на биологическом объекте. Междуэлектродное сопротивление биологического объекта подключается параллельно колебательному контуру, снижая при этом величину добротности.

Фиксируют величину добротности Q₃.

Отключаются электроды, к измерительному контуру при помощи переключателя 11 подключается переменный резистор 12.

Изменяя величину сопротивления резистора 12, устанавливают добротность контура, равную Q₃.

По шкале переменного резистора фиксируют величину активной составляющей сопротивления биологического объекта (между электродами).

При диагностике вводится параметр B = Q₁/Q₃.

Предлагаемое изобретение значительно расширяет диагностические возможности, так как при диагностике производят измерение в зоне заболевания как объемного импеданса, так и приповерхностного (между электродами).

Устройство отличается быстротой выдачи информации, не отягощая при этом больного травматичностью и продолжительностью исследования.

Источники информации 1. А. С. СССР N 1827160, кл. A 61 B 5/00, по заявке N 4855583/14 от 01.08.90, БИ N 26, 1993 год.

2. Рябоконь Д. С. Импедансометрия живых тканей биологических объектов. Техника радиосвязи, выпуск 2, 1995 год, с. 176-182.

Формула изобретения

Устройство для импедансометрии живых тканей биологического объекта, содержащее генераторный блок, трансформатор, датчик и регистратор, отличающийся тем, что в него дополнительно введены два металлических электрода, которые посредством введенных двухполюсного разъема и двух конденсаторов постоянной емкости соединены с выходом датчика, а также подключенная параллельно выходу датчика цепь, состоящая из последовательно соединенных двухпозиционного переключателя и переменного резистора, при этом датчик выполнен в виде параллельного колебательного контура.

РИСУНКИ

Рисунок 1