Способ и устройство для измерения параметров биологической ткани

 

Изобретение относится к медицине и ветеринарии при диагностике соответствующих биологических организмов. Способ измерения параметров биологической ткани заключается в периодическом воздействии на объект измерения электрической энергией и измерении в паузах между воздействиями электрического тока короткозамкнутых электродов, установленных на кожном покрове. Значение воздействующей электрической мощности увеличивают до значения, при котором электрический ток в паузах достигает определенного наперед заданного значения, а в качестве информационных параметров, характеризующих свойства биологической ткани, используют значения электрической мощности, при воздействии которой поддерживается заданное значение тока через биологическую ткань во время пауз и параметры переходного процесса ее установления. Устройство содержит активный и индифферентный электроды, преобразователь ток - напряжение, один из входов которого соединен с индифферентным электродом через электронный переключатель, управляющий вход которого подключен к генератору импульсов, источник электрического напряжения, регистр, первый и второй электронные переключатели, управляющие входы которых подключены к генератору импульсов, перемножитель, сравнивающее устройство, усилитель, фильтр низких частот, причем источник электрического напряжения сделан управляемым, и управляющие входы его соединены с выходом фильтра низких частот, а выход преобразователя ток - напряжение через первый переключатель подключается то к перемножителю, то к сравнивающему устройству, ко второму входу сравнивающего устройства подключено напряжение, с помощью которого задается электрический ток через биологическую ткань в паузах между воздействиями электрической энергией, к выходу сравнивающего устройства подключены соединенный последовательно усилитель и фильтр низких частот, а второй вход перемножителя через второй переключатель соединен с активным электродом, его выход соединен с регистратором, а управление переключателями осуществляется так, что сигналы с активного электрода и преобразователя ток - напряжение подаются на перемножитель одновременно. Изобретение позволяет улучшить воспроизводимость результатов измерений, уменьшить их зависимость от психических факторов, температуры и влажности окружающей среды. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области здравоохранения и может быть использовано в медицине и ветеринарии.

Известны способы оценки состояния биологических организмов, которые заключаются в том, что на кожном покрове размещают индифферентный электрод, имеющий большую площадь поверхности, контактирующей с кожным покровом, и активный электрод с малой площадью поверхности. О состоянии организма судят или по разности потенциалов между электродами, измеряемой с помощью милливольтметра, или по электрическому сопротивлению, имеющемуся между электродами. В последнем случае к электродам подключается источник электрической энергии и измеряется электрический ток, созданный им (при малом внутреннем сопротивлении источника электрической энергии), или падение напряжения на участке между электродами (при большом внутреннем сопротивлении источника электрической энергии) [1, 2, 3, 4].

Недостатками их является низкая информативность, что обусловлено большой вариабельностью и плохой воспроизводимостью результатов измерения.

Известен также способ оценки электрических параметров локальных зон кожного покрова, заключающийся в том, что к электродам, установленным на кожном покрове периодически подключается источник постоянного электрического тока, а в перерыве между его подключениями электроды замыкаются накоротко и измеряется электрический ток, протекающий через них. По значению этого тока дается заключение о состоянии данной локальной зоны кожного покрова и связанных с ней систем или органов [5]. Этот способ наиболее близок к предлагаемому и может рассматриваться как прототип предлагаемого способа.

Известно устройство для измерения электрических параметров зон биологической ткани [6]. В состав его входят активный и индифферентный электроды, преобразователь ток - напряжение, электронный переключатель, источник импульсов, управляющих переключением, селектор полярности импульсов, источник постоянного тока, милливольтметр. Один из входов преобразователя ток - напряжение соединен с индифферентным электродом через электрический переключатель, управляющий вход которого подключен к источнику управляющих импульсов, а второй вход соединен с активным электродом. Выход преобразователя ток - напряжение через селектор полярности импульсов соединен с регистратором, выполненным в виде милливольтметра. Источник постоянного напряжения включен между вторым контактом электронного переключателя, в котором первый вход преобразователя ток - напряжение замыкается на этот источник или на индифферентный электрод с подключенной к нему земляной шиной.

Это наиболее близкое по технической сущности и достигаемому результату устройство. Недостатком его является то, что при его использовании не удается получить хорошей воспроизводимости полученных результатов, они существенно зависят от температуры окружающей среды, и требуется коррекция значения напряжения, даваемого источником постоянного напряжения, в зависимости от индивидуальных особенностей организма, а также от влажности и температуры окружающей среды.

Для всех известных аналогов, используемых для решения данной задачи, характерен общий недостаток, заключающийся в том, что при проведении измерительных операций оценивается состояние биологической ткани в данный момент времени.

Биологическая ткань в разное время суток и в зависимости от внешних и внутренних психофизиологических факторов может находиться в разных состояниях, а именно: быть заторможенной; быть активной; быть возбужденной с разной степенью возбуждения. Результаты измерений будут отражать это состояние, а не характеризовать физиологические возможности органов и систем, связанных с участком кожного покрова, параметры которого измеряются.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение метрологической надежности за счет улучшения воспроизводимости результатов измерений, уменьшения их зависимости от психических факторов, температуры и влажности окружающей среды.

Указанная задача достигнута за счет того, что в известном способе, когда на биологическую ткань периодически воздействуют от источника внешней электрической энергии и в паузах между воздействиями, измеряют электрический ток, отдаваемый биологической тканью в цепь короткозамкнутых электродов, значение электрической мощности увеличивают до значения, при котором электрический ток в паузах примет значение, пропорциональное наперед заданному значению напряжения, и измеряют ее мгновенное значение по окончании переходного процесса установления напряжения и оценивают параметры переходного процесса изменения мгновенной мощности.

Устройство, в котором реализован предложенный способ, приведено на чертеже. Цифрами обозначены: 1, 3, 4 - соответственно первый, второй, третий электронные переключатели; 2 - преобразователь ток - напряжение; 5 - перемножитель; 6 - сравнивающее устройство; 7 - усилитель; 8 - фильтр низких частот; 9 - регистратор; 10 - генератор импульсов; 11 - управляемый источник электрического напряжения; 12 - ключ включения режима измерений.

Устройство имеет активный и индифферентный электроды, устанавливаемые на поверхность кожного покрова. Активный электрод подключен ко входу преобразователя ток - напряжение (ПНТ) 2. Индифферентный электрод подключен к общей шине. Второй вход ПНТ 2 через переключатель 1 периодически подключается к общей шине и к управляемому источнику напряжения 11. ПНТ2 имеет малое входное сопротивление. Выход ПНТ2 через третий переключатель 4, работающий синхронно с переключателями 1 и 3, периодически соединяется или со сравнивающим устройством 6, или с одним из входов перемножителя 5. На второй вход перемножителя 5 подается напряжение с активного электрода, к которому он периодически подключается через переключатель 3. Сигнал с выхода перемножителя 5 подается на регистратор 9, роль которого может, например, выполнять милливольтметр. На сравнивающее устройство 6 через ключ включения режима измерений 12 подается напряжение Uзад. С помощью его задается значение тока, отдаваемого в цепь ПНТ 2 биологической тканью при замыкании электродов накоротко через малое входное сопротивление ПНТ. Выход сравнивающего устройства подключен ко входу усилителя 7, выход которого соединен со входом фильтра низких частот (ФНЧ) 8. Выход ФНЧ подключен ко входу управления напряжением управляемого источника электрического напряжения 11. Напряжение, управляющее переключателями 1, 3, 4, подается с выхода генератора электрических импульсов 10.

Работа устройства, в котором реализован предложенный способ, заключается в следующем. После установки на биологической ткани активного и индифферентного электродов включается ключ включения режима измерений 12. На сравнивающее устройство 6 подается напряжение Uзад. Когда переключатели 1, 3, 4 находятся в положении а, на биологическую ткань производится воздействие электрической энергией, мощность которой измеряется с помощью перемножителя 5 и регистратора 9. Когда переключатели 1, 3, 4 находятся в положении б, электроды оказываются замкнутыми накоротко через входное сопротивление ПНТ 2. Электрический ток, создаваемый биологической тканью, преобразуется в напряжение и подается на сравнивающее устройство 6. Если это напряжение не равно заданному Uзад, то на выходе сравнивающего устройства появляется электрический сигнал. Он усиливается усилителем 7. Постоянная составляющая усиленного сигнала выделяется с помощью ФНЧ 8. Сигнал с выхода ФНЧ подают на управляющий вход источника управляемого напряжения 11. Под его влиянием выходное напряжение последнего изменяется до уровня, при котором электрический ток электродов в положении б переключателей 1, 3, 4 примет значение, пропорциональное Uзад. Значение этой мощности измеряется регистратором 9 в положении а переключателей 1, 3, 4.

Упрощенно диаграмму работы устройства с момента замыкания ключа включения режима измерений 12 можно охарактеризовать следующим образом. В первый момент времени напряжение на выходе ФНЧ 8 будет иметь малое значение несмотря на то, что постоянная составляющая выходного напряжения сравнивающего устройства 6 будет иметь наибольшую величину. Это обусловлено тем, что при подаче скачком напряжения Uзад и скачкообразном изменении выходного напряжения усилителя 7, напряжение на выходе ФНЧ 8 нарастает медленно. Скорость его зависит от значения верхней частоты полосы пропускания ФНЧ 8. Поэтому напряжение на выходе управляемого источника электрического напряжения 11 будет иметь малую величину. Генератор импульсов 10 генерирует сравнительно высокочастотные импульсы, частота которых во много раз (в десятки и более) больше верхней полосы частоты пропускания ФНЧ 8. Поэтому за время нарастания напряжения на выходе ФНЧ 8 переключатели 1, 3, 4 многократно оказываются в положении а и б. При каждом новом цикле напряжение на выходе управляемого источника электрического напряжения увеличивается по величине. Поэтому в положении а переключателя 1 на биологическую ткань оказывается все большее энергетическое воздействие. Это приводит к увеличению электрического тока, протекающего через вход ПНТ 2 при положении б переключателя 1. Соответственно повышается выходное напряжение ПНТ 2, которое в сравнивающем устройстве 6 вычитается из напряжения Uзад. Этот процесс идет до тех пор, пока выходное напряжение сравнивающего устройства не примет малое значение, зависящее от статизма системы, характеризуемого коэффициентом петлевого усиления. Последний зависит от коэффициентов усиления усилителя 7 и ФНЧ 8 и коэффициентов преобразования ПНТ 2 и управляемого источника электрического напряжения 11. В идеальном случае, при петлевом усилении, стремящемся к бесконечности, электрический ток, отдаваемый биологической тканью, с большой точностью пропорционален напряжению Uзад. По окончании переходного процесса установления напряжения, обеспечивающего заданное значение электрического тока, отдаваемого биологической тканью в паузах между воздействием электрической энергией, мощность воздействия находится путем перемножения мгновенных значений тока и напряжения. Для этого на перемножитель 5 через переключатель 3, находящийся в положении б, с активного электрода подается значение мгновенного напряжения, а через переключатель 4 - напряжение, пропорциональное электрическому току, протекающему через биологическую ткань при осуществлении энергетического воздействия. В перемножителе 5 они умножаются друг на друга. Поэтому выходной сигнал перемножителя пропорционален значению мгновенной электрической мощности. Он измеряется с помощью регистратора 9, в качестве которого, например, может быть применен милливольтметр.

Повышение метрологической надежности, которая характеризуется лучшей воспроизводимостью показаний, уменьшением их зависимости от состояния биологической ткани (ее заторможенности или активности), температуры и влажности окружающей среды, и увеличение объема измерительной информации достигаются за счет того, что путем внешнего электрического воздействия биологическая ткань доводится до определенного, воспроизводимого в любых условиях, состояния, в котором в паузах между воздействиями ею в нагрузку отдается определенное значение электрического тока и, в конечном итоге, электрической мощности. Поэтому состояние биологической ткани в момент начала выполнения измерительной операции не оказывает существенного влияния на результаты измерений. Воспроизводимость показаний получается значительно лучше, чем при применении других известных аналогов.

При этом режим "возбуждения" биологической ткани (с точки зрения "отдачи" электрической энергии в нагрузку во время пауз) не будет зависеть от параметров окружающей среды (ее температуры и влажности), что также очень важно для повышения метрологической надежности.

Длительность процесса установления статического режима будет характеризовать состояние (степень заторможенности или возбуждения) биологической ткани на момент начала измерений. Оценивая параметры переходного процесса изменения мгновенной мощности, регистрируемой регистратором, можно получить дополнительную информацию о свойствах биологической ткани. Достоверность ее увеличивается при изменениях напряжения задания электрического тока Uзад. Так, если напряжение Uзад₁ скачком уменьшить до меньшего значения Uзад₂, то переходный процесс на "меньший энергетический уровень" будет характеризовать динамические характеристики биологической ткани. Таким образом, при использовании предложенного способа и устройства существенно увеличивается объем измерительной информации о свойствах биологической ткани, получаемой при измерениях.

Источники информации 1. Гусев В.Г. Приборная рефлексодиагностика и концептуальные вопросы создания технических средств для ее проведения. В журнале "Акупунктура и традиционные методы лечения", 1, 1992, с.5-18.

2. Марков Ю.В. Рефлексотерапия в современной медицине. Санкт-Петербург, Наука, 1992, 182 с.

3. Портнов Ф.Г. Электропунктурная рефлексотерапия. Зинатне, 1988, 352 с.

4. Авторское свидетельство СССР 940773, МПК А 61 Н 39/02 от 07.07.82. Устройство для обнаружения точек акупунктуры /В.Г.Гусев и др.

5. Авторское свидетельство СССР 1806724, МПК⁵ А 61 Н 39/00, А 61 В 5/00 от 07.04.93. Способ оценки электрофизического состояния точек акупунктуры. /В.А.Загрядский и др.

6. Патент РФ 2057519, МПК⁶ А 61 Н 39/02 от 10.04.96. Устройство для измерения электрических параметров зон биологической ткани. /Гусев В.Г.

Формула изобретения

1. Способ измерения параметров биологической ткани, заключающийся в установке на кожном покрове электропроводящих электродов, к которым периодически подключают источник электрической энергии, а в паузах между его подключениями электроды замыкают накоротко и измеряют электрический ток, протекающий через них, отличающийся тем, что воздействующую электрическую мощность увеличивают до значения, при котором электрический ток в паузах примет значение, пропорциональное наперед заданному значению напряжения, измеряют ее мгновенное значение по окончании переходного процесса установления напряжения и оценивают параметры переходного процесса изменения мгновенной мощности.

2. Устройство для измерения параметров биологической ткани, содержащее активный и индифферентный электроды, преобразователь ток - напряжение, один из входов которого соединен с индифферентным электродом через первый электронный переключатель, управляющий вход которого подключен к генератору импульсов, источник электрического напряжения и регистратор, отличающееся тем, что в него дополнительно введены второй и третий электронные переключатели, управляющие входы которых подключены к генератору импульсов, перемножитель, сравнивающее устройство, усилитель, фильтр низких частот, ключ включения режима измерений, а источник электрического напряжения сделан управляемым, причем выход преобразователя ток - напряжение через третий переключатель подключен то к перемножителю, то к сравнивающему устройству, второй выход сравнивающего устройства соединен с источником напряжения через ключ включения режима измерений, к выходу сравнивающего устройства подключены соединенные последовательно усилитель и фильтр низких частот, выход фильтра низких частот подключен к управляющим входам управляемого источника электрического напряжения, а второй вход перемножителя через второй переключатель соединен с активным электродом, его выход соединен с регистратором.

РИСУНКИ

Рисунок 1