Устройство для измерения активной и емкостной составляющих импеданса небных миндалин

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в медицине для количественной оценки степени патологических изменений в тканях глотки и дифференциальной диагностики различных заболеваний. Устройство содержит генератор импульсов, последовательно соединенные входное устройство, синхронный демодулятор, усилитель постоянного тока и аналого-цифровой преобразователь, два делителя частоты пополам, последовательно соединенные триггер Шмидта, прямой интегратор, нелинейный преобразователь линейно изменяющегося напряжения в синусоидальное, преобразователь напряжение-ток, согласующий трансформатор, конвертор емкостного сопротивления, второй синхронный демодулятор, переключатель «активное сопротивление - емкостное сопротивление» и устройство индикации. Предлагаемое техническое решение позволяет существенно снизить погрешность измерения составляющих импеданса в диапазоне частот 500 Гц - 10 кГц, что обеспечивается за счет снижения, посредством емкостного конвертора, величины тока намагничивания согласующего трансформатора; снизить коэффициент гармоник зондирующего сигнала, что обеспечивается зондированием испытуемой биоткани током синусоидальной формы; разделить активную и емкостную составляющую импеданса, что обеспечивается синхронизацией работы фазочувствительных детекторов управляющими импульсами, сдвинутыми относительно друг друга на четверть периода. 3 ил.

 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в медицине для количественной оценки степени патологических изменений в тканях глотки и дифференциальной диагностики различных заболеваний.

Известно устройство - преобразователь модуля переменной и постоянной составляющих измеряемого импеданса биоткани в напряжение (в дальнейшем - реограф) [Реограф Р4-02. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - Львовский завод радиоэлектронной медицинской аппаратуры. 1993 г., с.8], позволяющий анализировать импеданс на частотах 100, 70, 50 и 40 кГц, содержащий генератор импульсов зондирующего тока высокой частоты, содержащий внутри себя согласующий трансформатор, первый выход которого посредством первой контактной группы реле переключения режимов «Калибровка» - «Измерение» переключается между токовыми электродами к пациенту и входными выводами калибровочного устройства, входное устройство, входы которого через вторую контактную группу реле переключаются между электродами напряжения и выходами калибровочного устройства, выход которого соединен с сигнальным входом синхронного демодулятора, вход управления которого соединен со вторым выходом генератора импульсов зондирующего тока, а выход - с входом усилителя постоянного тока, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, а также последовательно соединенные первый усилитель низкой частоты, фильтр нижних частот и второй усилитель низкой частоты, причем вход первого усилителя низкой частоты соединен с выходом синхронного демодулятора, выход второго усилителя низкой частоты параллельно соединен с входом дифференциатора и входом устройства автоматического успокоения, выход которого соединен с входом отрицательной обратной связи первого усилителя низкой частоты.

Недостатками данного устройства являются:

- невозможность измерения импеданса на более низких частотах - 500 Гц - 10 кГц - в виду высокой величины составляющей погрешности измерения, обусловленной высокими значениями тока намагничивания первичной обмотки первого согласующего трансформатора в указанном частотном диапазоне, увеличивающегося с уменьшением частоты тока;

- отсутствие функций выделения активной и емкостной составляющей импеданса;

- большая величина коэффициента гармоник испытательного воздействия - более 41% - обусловленного отличием формы прямоугольного сигнала от гармонического.

Ближайшим аналогом к предложенному по техническому решению является устройство для измерения активной и емкостной составляющих импеданса, предназначенное для исследования патологических изменений в тканях и органах и содержащее электроды пациента, генератор прямоугольных импульсов, интегратор, преобразователь напряжение-ток, переключатель, усилитель постоянного тока и измерительное устройство с индикацией, которое в случае выполнения его в цифровом виде предполагает в измерительном устройстве наличие АЦП (SU 1759402 А1, кл. А61В 5/05, 07.09.1992). Однако данное устройство не предназначено для его использования при исследовании небных миндалин, и величина коэффициента гармоник испытательного воздействия, обусловленного отличием формы треугольного сигнала от гармонического - более 12%.

Целями изобретения являются:

- снижение коэффициента гармоник зондирующего сигнала;

- компенсация искажений измерений тока на низких частотах, обусловленных дефектами согласующих трансформаторов.

Поставленная задача достигается тем, что в известный измеритель импеданса, содержащий генератор импульсов, а также последовательно соединенные входное устройство, синхронный демодулятор, усилитель постоянного тока и аналого-цифровой преобразователь, введены первый делитель частоты на 2, тактовый вход которого соединен с прямым выходом генератора, второй делитель частоты на 2, тактовый вход которого соединен с инверсным выходом генератора, последовательно соединенные триггер Шмидта, прямой интегратор, нелинейный преобразователь линейно изменяющегося напряжения в синусоидальное, преобразователь напряжение-ток, согласующий трансформатор, причем вход триггера Шмидта соединен с выходом первого делителя частоты на 2; конвертор емкостного сопротивления, выводы которого параллельно соединены с входом входного устройства и выводами первичной обмотки согласующего трансформатора, выводы вторичной обмотки которого соединены с электродами пациента; второй синхронный демодулятор, переключатель и устройство индикации, причем выход входного устройства соединен с сигнальными входами первого и второго синхронных демодулятора, управляющие входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго делителей частоты на 2, а выходы соединены соответственно с первым и вторым входами переключателя, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот; цифровые выходы аналого-цифрового преобразователя соединены с устройством индикации.

На фиг.1 представлена структурная электрическая схема предлагаемого устройства, на фиг.2 приведены временные диаграммы напряжения в некоторых точках устройства.

Состояние согласующего трансформатора в установившемся синусоидальном режиме описывается системой комплексных уравнений

где U₁, U₂ - комплексные амплитуды падений напряжений на зажимах соответственно первичной и вторичной обмоток;

I_l, I₂ - комплексные амплитуды токов первичной и вторичной обмоток;

r₁, r₂ - эквивалентные сопротивления активных потерь первичной и вторичной обмоток;

L₁ - собственная индуктивность первичной обмотки;

- коэффициент трансформации;

Z_н - комплексное сопротивление нагрузки, подключенное к зажимам вторичной обмотки.

При условии, что r₁<<ωL₁ и r₂<<ωL₂, связь между входным током и напряжением определится выражением

При условии, что величина составляющей тока намагничивания

напряжение на зажимах первичной нагрузки согласно выражению (2) пропорционально сопротивлению нагрузки. Но величина амплитуды зондирующего тока I₂ через ткани человека не должна превышать допустимого значения - 100 мкА, и обеспечение условия (3) на низких частотах трудновыполнимо. Подключение параллельно первичной обмотке конденсатора C_э, удовлетворяющее условию резонанса

позволит свести влияние тока намагничивания к нулю. Применяемый в устройстве в качестве эквивалентного конденсатора C_э обобщенный емкостной конвертор сопротивления (фиг.3) позволит получить большие изменяемые с помощью резистора R2 значения его емкости при небольших величинах емкости С5

Таким образом, снизится погрешность измерения импеданса, обусловленную током намагничивания.

Разложение в тригонометрический ряд симметричных двуполярных импульсов тока треугольной формы, применяемых в качестве воздействия на ткани в ближайшем аналоге, имеет вид

и величина коэффициента гармоник такого сигнала

.

превышает величину 12%. Применение в качестве входного сигнала для преобразователя «напряжение-ток» сигнала с выхода нелинейного формирователя гармонического сигнала (3, 4, 5; фиг.1) [Ноткин. Функциональные генераторы и их применение. - М.: Радио и связь, 1983. - с.83-85], синхронизируемого импульсами делителя частоты на 2 - 2, позволит получить величину коэффициента гармоник зондирующего сигнала не более 1%, а также позволит уменьшить задержку срабатывания синхронных демодуляторов 11 и 12 на низких частотах.

Устройство измерения активной и емкостной составляющих импеданса биологических тканей работает следующим образом.

Генератор импульсов 1 (фиг.1) вырабатывает прямоугольные импульсы (меандр) частотой 2 кГц (диаграмма «A» фиг.2), поступающие на входы делителей частоты на 2-2 и 9, синхронизируемых соответственно положительным и отрицательным фронтом. В результате на выходах делителей формируются меандры частотой 1 кГц, сдвинутые друг относительно друга на четверть периода (диаграммы «В» и «С» фиг.2). Однополярные КМОП-импульсы с выхода делителя 2 преобразуются триггером Шмидта 3 на операционном усилителе в симметричные двуполярные стабильной амплитуды 7 В (диаграмма «D» фиг.2), которые затем поступают на вход прямого интегратора 4, на выходе которого формируется треугольное напряжение амплитудой 7 В (диаграмма «Е» фиг.2). С выхода интегратора треугольный сигнал поступает на вход «нелинейного преобразователя линейно изменяющегося напряжения в синусоидальное» 5, на выходе которого вырабатывается напряжение, близкое по форме к гармоническому сигналу амплитудой 1.35V (диаграмма «F» фиг.2). При условии, что амплитуда треугольного напряжения принимает значения в диапазоне 7-8 В, коэффициентом гармоник гармонического сигнала не превысит 1%. С выхода «нелинейного преобразователя линейно изменяющегося напряжения в синусоидальное» 5 гармонический сигнал поступает на вход преобразователя напряжение-ток 6, на токовом выходе которого формируется гармонический ток амплитудой 100 мкА. Токовый выход «преобразователя напряжение-ток» 6 нагружен первичной обмоткой развязывающего трансформатора 7 с единичным коэффициентом трансформации, входное комплексное сопротивление которого (в идеале) соответствует сопротивлению нагрузки, подключаемому к зажимам вторичной обмотки, т.е. импедансу небных миндалин. Эквивалентная комплексная проводимость конвертора сопротивлений 8 имеет емкостной характер и позволяет скомпенсировать собственную проводимость самоиндукции первичной обмотки, вызывающего на частотах ниже 2 кГц значительные искажения. В итоге на зажимах первичной обмотки трансформатора формируется напряжение (диаграмма «G» фиг.2), пропорциональное биологическому импедансу небных миндалин, которое поступает на входное устройство 10, сигнал, с выхода которого поступает на входы синхронных демодуляторов 11 и 12, синхронизируемых импульсами с выходов делителей частоты на 2-2 и 9 соответственно. В итоге на выходах демодуляторов формируется сигналы (диаграммы «H» и «I» фиг.2), постоянные составляющие которых пропорциональны: для блока 11 - мнимой, а для блока 12 - действительной части импеданса тканей. В зависимости от положения переключателя 13 на выходе фильтра нижних частот 14 формируется напряжение, пропорциональное мнимой или действительной части импеданса. С выхода усилителя постоянного тока 15 постоянное напряжение поступает на вход АЦП двойного интегрирования 16, на выходах которого формируется цифровой семисегментный код, поступающий на светодиодные индикаторы 17.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет

- повысить точность исследования за счет снижения погрешностей измерения составляющих импеданса в диапазоне частот 500 Гц - 10 кГц, что обеспечивается за счет снижения посредством емкостного конвертора величины тока намагничивания согласующего трансформатора;

- снизить коэффициент гармоник зондирующего сигнала, что обеспечивается зондированием испытуемой биоткани током синусоидальной формы.

Устройство для измерения активной и емкостной составляющих импеданса, содержащее электроды пациента, генератор прямоугольных импульсов, интегратор, преобразователь напряжение-ток, переключатель, последовательно соединенные усилитель постоянного тока, аналого-цифровой преобразователь и устройство индикации, отличающееся тем, что в него введены первый и второй делители частоты на 2, тактовые входы которых соединены соответственно с прямым и с инверсным выходами генератора прямоугольных импульсов, триггер Шмидта, нелинейный преобразователь линейно-изменяющегося напряжения в синусоидальное, входное устройство, согласующий трансформатор, первый и второй синхронные демодуляторы и конвертор емкостного сопротивления, причем вход триггера Шмидта соединен с выходом первого делителя частоты на 2, а его выход - с входом интегратора, выход которого через нелинейный преобразователь линейно-изменяющегося напряжения в синусоидальное подключен к входу преобразователя напряжение-ток, выход которого соединен с входом входного устройства и с конвертором емкостного сопротивления, выводы которого соединены с выводами первичной обмотки согласующего трансформатора, выводы вторичной обмотки которого соединены с электродами пациента, выход входного устройства соединен с сигнальными входами первого и второго синхронных демодуляторов, управляющие входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго делителей частоты на 2, а выходы соединены соответственно с первым и вторым входами переключателя, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого подключен к входу усилителя постоянного тока.