Способ определения составляющих импеданса биообъекта

Авторы патента:

Наумова Анна Викторовна (RU)

Глинкин Евгений Иванович (RU)

G01R27/00 - Устройства для измерения активного, реактивного и полного сопротивления или электрических характеристик, производных от них

A61B5/05 - измерение с помощью электрического тока или магнитных полей для диагностических целей (A61B 5/02,A61B 5/04,A61B 5/11 имеют преимущество)

Владельцы патента RU 2586457:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" ФГБОУ ВПО ТГТУ (RU)

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для оценки функционального состояния организма. Способ определения составляющих импеданса биологического объекта состоит в измерении напряжения на биообъекте на границах диапазона, при этом определяют активное сопротивление и эквивалентную емкость тканей биообъекта по информативным параметрам амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), а именно - предельному напряжению и резонансной частоте, которые определяют по двум значениям напряжений на двух фиксированных частотах, являющихся границами диапазона. Из отношения предельного напряжения к резонансной частоте находят предельный ток исследуемой АЧХ, информативные и искомые параметры которой нормируют относительно эталонной АЧХ за счет определения известных составляющих импеданса образцового биологического объекта. Использование изобретения позволяет повысить точности измерения составляющих комплексного сопротивления биообъекта. 4 ил., 1 табл.

Предлагаемое изобретение относится к медицине и может быть использовано для оценки функционального состояния организма.

Известен способ измерения электрических величин активного сопротивления, индуктивности и емкости [см. А.с. СССР №1797079, МПК 5 G01R 27/26, опубл. 1993 г, Би №7], в котором на последовательную активно-емкостную или активно-индуктивную измерительную цепь, один из элементов которой известен, подают напряжение постоянного тока, затем через образцовый интервал времени с момента подачи напряжения на средней точке измерительной цепи измеряют первое мгновенное значение напряжения на средней точке измерительной цепи, через такой же интервал времени с момента первого измерения измеряют второе мгновенное значение напряжения на средней точке измерительной цепи и определяют неизвестный элемент по формулам.

Недостатком такого способа измерений сопротивлений является низкая точность, т.к. на результаты измерения существенно влияет нестабильность подэлектродного сопротивления как резистивной, так и емкостной его составляющих.

По способу измерения составляющих комплексного сопротивления [см. Патент РФ №2003123, МПК 5 G01R 27/26, опубл. 1993 г., Би N 41-42] измеряемое комплексное сопротивление включают параллельно измерительному параллельному колебательному контуру (или последовательно измерительному последовательному колебательному контуру) автоколебательного генератора с частотно-независимым выходным мостом, при этом реактивную составляющую комплексного сопротивления определяют по изменению частоты автоколебаний, а величину резистивной составляющей - по амплитуде на выходе частотно-независимого моста

Недостаток способа - низкая точность из-за нестабильности частоты автогенератора и существенного влияния подэлектродного сопротивления на амплитуду этих колебаний.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ определения составляющих импеданса биообъекта [см. А.с. СССР №1397024, МПК A61B 5/05, опубл. 1988 г., Бил. №19], заключающийся в том, что на биообъект подается через электроды импульс стабилизированного тока определенной полярности (например, положительной) и амплитудой I₀. Вследствие емкостного характера реактивной составляющей импеданса биообъекта происходит переходной процесс нарастания напряжения на биообъекте, которое измеряется в фиксированные два момента времени t₁ и t₂ после начала импульса тока, получая соответственно значения напряжения U₁ и U₂. Измерение в момент времени t₂ производится, когда емкость тканей биообъекта заряжена полностью, и переходной процесс закончился. Активное сопротивление R и эквивалентная емкость C тканей биообъекта определяются по формулам.

Недостатками прототипа являются: низкая точность из-за наличия динамической и методической погрешности и низкая оперативность, вызванные необходимостью ожидания установившегося режима ВАХ.

Технической задачей способа является повышение точности измерения составляющих комплексного сопротивления биообъекта за счет устранения методической погрешности, имеющей случайный или систематический характер.

Данная техническая задача решается за счет того, что в способе определения составляющих импеданса биологического объекта, заключающемся в измерении напряжения на биообъекте на границах диапазона, в отличие от прототипа, определяют активное сопротивление и эквивалентную емкость тканей биообъекта по информативным параметрам амплитудно-частотной характеристики (АЧХ): предельному напряжению и резонансной частоте, которые определяют по двум значениям напряжений на двух фиксированных частотах, являющихся границами диапазона, находят из отношения предельного напряжения к резонансной частоте предельный ток исследуемой АЧХ, информативные и искомые параметры которой нормируют относительно эталонной АЧХ за счет определения известных составляющих импеданса образцового биологического объекта.

Предлагаемый способ включает 2 этапа:

- измерение амплитудно-частотной характеристики для регистрации ее информативных параметров;

- определение по информативным параметрам активного сопротивления и эквивалентной емкости тканей биообъекта.

Составляющие комплексного импеданса биообъекта определяют по информативным параметрам амплитудно-частотной характеристики. Для этого на тело пациента в месте измерения сопротивления накладывают измерительные электроды, прикладывают напряжение на эталонную и исследуемую измерительные ячейки, состоящие из последовательно включенных измеряемого комплексного и эталонного сопротивлений (см. фиг. 1). На частоте ω₁ и ω₂ измеряют (см. фиг. 2) значения падений напряжения U_э1 и U_э2 эталонной 1 и U₁, U₂ исследуемой 2 характеристик соответственно, на эталонном сопротивлении R₀. При этом для эталонной характеристики известны значения предельного напряжения Е_э и частота среза ω_0э. По измеренным значениям напряжений и частоты находят активное сопротивление и эквивалентную емкость тканей биообъекта через информативные параметры АЧХ.

Экспериментальная зависимость U(ω)=U изменяется согласно закону

где действительная ReU и мнимая ImU части соответственно равны

Значение амплитуды сигнала на выходе определяется как

Выражение (2) представляет собой амплитудно-частотную характеристику, отражающую зависимость амплитуды напряжения на биообъекте от частоты. Параметры E и ω₀ однозначно определяют характеристику эксперимента по зависимости (2), поэтому их целесообразно принять за информативные параметры полученной АЧХ. Регистрация информативных параметров E и ω₀ на границах диапазона организована по двум заданным значениям частоты ω₁, ω₂ и соответствующим им измерениям амплитуды U_э1, U_э2 напряжения эталонной АЧХ с заданными параметрами Е_э и ω_0э, и двум значениям амплитуды U₁, U₂ исследуемой АЧХ.

Алгоритмы определения информативных параметров находят из зависимости (2) для двух частот ω₁, ω₂ и измеряемых напряжений U₁, U₂ исследуемой АЧХ

Разделим первое уравнение системы (3) на второе и выразим параметр ω_0.

Выражение для ω_0э эталонной АЧХ находят аналогично выражению (4), которые объединяют для нормирования исследуемой АЧХ.

Отсюда следует алгоритм определения параметра ω₀ с нормированной относительно эталонной АЧХ

Из системы (3) выразим параметр E

Объединим в систему выражение (6) и аналогичное ему выражение для эталонного предельного напряжения Е_э

Из системы находят нормированный по эталонной АЧХ алгоритм определения параметра E

Используя закономерности АЧХ [см. Глинкин Е.И., Наумова А.В., Одинокова А.А. Технология проектирования динамических характеристик // Вестник ТГУ. - 2013. - Т. 18, №5. - С. 2925-2933], рассчитывают предельные токи исследуемого I₀ и образцового I_0э биообъектов, как отношение предельного напряжения к резонансной частоте.

С помощью предельных параметров напряжения Е_э, E и тока I_0э, I₀ определяют значение активного сопротивления из системы

В виде искомого значения R нормированного по известным параметрам образца

Эквивалентную емкость тканей биообъекта определяют из системы

в следующем виде:

1. Адекватность предлагаемого способа физике эксперимента доказывает математическое моделирование нормированной U_нi(t)=U_нi АЧХ 3 относительно эквивалента 2 исследуемой U_i(t)=U_0i АЧХ. По полученным значениям R и C определяется значение частоты среза (согласно формулы ω₀=2π/T, где T=R·C), строятся исследуемая 2 и эквивалентная 3 АЧХ (фиг. 3). Затем проводится оценка адекватности полученных зависимостей по формуле определения относительной погрешности

Ее оценка представлена на фиг. 4 и не превышает 5·10^-14%.

2. Повышение точности за счет устранения методической погрешности, имеющей случайный или систематический характер, приведем на следующем примере. В ходе проведения измерений возможен дрейф регистрируемых значений, обусловленный влиянием различных внешних факторов. Например, значения границ диапазона ω₁, ω₂ в процессе измерений могут колебаться в пределах нескольких процентов. При отсутствии нормированной функции это может привести к появлению значительной погрешности. В табл. представлены значения погрешностей ε_нi и ε_i для нормированной U_нi и исследуемой U_i функций, возникающих в результате дрейфа границ диапазона.

Анализ табл. показывает, что при изменении погрешности ε от 1 до 9%, пропорционально увеличиваются частоты ω₁, ω₂, соответствующие им напряжения U_i и относительная погрешность ε_i, из-за отсутствия эталона, компенсирующего случайные и систематические помехи ε_i как в предлагаемом решении. Следовательно, точность предлагаемого метода с использованием эталонной АЧХ на несколько порядков выше за счет устранения дрейфа случайной или систематической погрешности.

Таким образом, определение активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления по информативным параметрам амплитудно-частотной характеристики, нормированной по эталонной АЧХ, в отличие от известных решений, повышает точность определения составляющих импеданса биологического объекта на несколько порядков за счет адекватности предлагаемого способа эксперименту при устранении методической погрешности, носящей случайный или систематический характер при нормировании по эквивалентам (образцам) с известными значениями.

Способ определения составляющих импеданса биологического объекта, заключающийся в измерении напряжения на биообъекте на границах диапазона, отличающийся тем, что определяют активное сопротивление и эквивалентную емкость тканей биообъекта по информативным параметрам амплитудно-частотной характеристики (АЧХ): предельному напряжению и резонансной частоте, которые определяют по двум значениям напряжений на двух фиксированных частотах, являющихся границами диапазона, находят из отношения предельного напряжения к резонансной частоте предельный ток исследуемой АЧХ, информативные и искомые параметры которой нормируют относительно эталонной АЧХ за счет определения известных составляющих импеданса образцового биологического объекта.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения сопротивления изоляции электрических сетей любого рода тока, находящихся под рабочим напряжением или обесточенных и изолированных от «земли».

Устройство для определения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик токовых шунтов // 2585326

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для контроля и определения динамических метрологических характеристик при производстве и эксплуатации токовых шунтов.

Устройство для измерения электрического сопротивления земли // 2584923

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к строительству воздушных линий электропередачи и заземляющих устройств. Для проектирования и строительства линий электропередачи проводятся изыскательские работы, при этом исследуется местность, определяются характеристики грунта, в том числе электрическое сопротивление земли.

Способ измерения физической величины // 2579359

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических величин. Согласно способу возбуждают колебания в резонаторе на фиксированной частоте.

Кварцевый реактор для исследования температурной зависимости электросопротивления высокорезистивных объектов // 2573624

Изобретение относится к наноэлектронике и наноэлектромеханике. Заявленный кварцевый реактор для исследования температурной зависимости электрического сопротивления высокорезистивных объектов, преимущественно, пленочных образцов из нанокомпозиционных материалов, содержит корпус, на внешней поверхности которого бифилярно намотан резистивный нагреватель; внутри корпуса на растяжках, выполненных в виде пружин из вольфрамовой проволоки, установлены C-образные зажимы с плоскими губками для размещения исследуемого образца, выполненные из вольфрамовой проволоки, причем в стенке корпуса, в центральной его части, установлена термопара с возможностью измерения температуры упомянутого образца, размещаемого в C-образных зажимах.

Способ исследования температурной зависимости электрического сопротивления пленочных образцов при нагреве // 2573623

Изобретение относится к области наноэлектроники и может быть использовано в различных областях наноиндустрии. Заявлен способ исследования температурной зависимости электрического сопротивления пленочных образцов при нагреве.

Способ цифрового измерения электрических величин // 2567441

Изобретение относится к измерительной технике. Способ включает преобразование измеряемой электрической величины и отсчет измеренной электрической величины.

Способ определения параметров прибора свч // 2566647

Способ определения параметров прибора СВЧ, включающий измерение в n точках рабочей полосы частот его комплексных параметров рассеяния, моделирование его в рабочей полосе частот в виде эквивалентной схемы, содержащей активные и реактивные элементы, каждый из которых описывают соответствующим параметром, не зависящим от частоты, определение собственно параметров посредством математической процедуры.

Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код // 2565813

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения активного сопротивления, емкости и напряжения. Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код содержит четыре резистора, два генератора, управляемые напряжением и снабженные входами разрешения генерирования, и микроконтроллер; первые выводы резисторов подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому выходам микроконтроллера, вторые выводы первого и второго резисторов подключены к входу управления напряжением первого генератора, вторые выводы третьего и четвертого резисторов подключены к входу управления напряжением второго генератора, выходы генераторов подключены к счетным входам встроенных в микроконтроллер первого и второго двоичных счетчиков.

Устройство диагностирования контактных соединений в электрооборудовании автомобиля // 2553835

Изобретение относится к области эксплуатации автомобильной техники и может быть использовано для диагностирования работоспособности электрической проводки автомобильной техники и поиска неисправностей при ремонте.

Способ дифференциальной диагностики гемангиом в телах позвонков // 2585428

Изобретение относится к медицине, рентгенологии, ортопедии, травматологии, онкологии, нейрохирургии, предназначено для исследования позвоночника при выполнении магнитно-резонансной томографии.

Способ прогнозирования тяжелого функционального исхода острого ишемического инсульта // 2585139

Изобретение относится к неврологии, в частности прогнозированию функционального исхода острого ишемического инсульта. Проводят оценку общего балла по шкале инсульта NIH и осуществляют КТ-перфузию головного мозга в первые сутки острого периода заболевания.

Способ магнито-резонансной томографической диагностики трахеомаляции // 2584130

Изобретение относится к медицине, лучевой диагностике, оториноларингологии, торакальной хирургии и пульмонологии. Диагностику трахеомаляции проводят с помощью МРТ короткими быстрыми последовательностями Trufi или HASTE, с получением Т2-ВИ, в аксиальной проекции.

Способ диагностики неспецифического воспаления мышечной ткани у лабораторных животных // 2582460

Изобретение относится к медицине, а именно к экспериментальной инструментальной диагностике, и предназначено для диагностики неспецифического воспаления мышечной ткани у лабораторных животных.

Способ отбора пациентов с фибрилляцией предсердий на проведение процедуры сцинтиграфии миокарда для диагностики хронического латентного миокардита // 2581717

Изобретение относится к медицине, кардиологии, лучевой диагностике. Для отбора пациентов с фибрилляцией предсердий (ФП) на проведение процедуры сцинтиграфии миокарда при диагностике хронического латентного миокардита проводят клинико-анамнестическое и лабораторно-инструментальное обследование.

Способ диагностики нейродегенеративного процесса при болезни паркинсона // 2581252

Изобретение относится к медицине, неврологии, оценке когнитивных процессов и зрительно-пространственного восприятия в головном мозге у пациентов с болезнью Паркинсона (БП).

Интервенционная мр-томография с компенсацией движения // 2580189

Группа изобретений относится к области медицины. Способ магнитно-резонансной томографии (МРТ) движущейся части тела пациента, помещенной в область исследования аппарата МРТ, причем указанный способ содержит этапы, на которых: a) осуществляют сбор отслеживаемых данных от микрокатушки, прикрепленной к интервенционному инструменту, введенному в часть тела, b) воздействуют на часть тела последовательностью импульсов для получения от нее одного или более сигналов МР, причем параметры перемещения и/или вращения, описывающие движение части тела, выводят из отслеживаемых данных, причем параметры последовательности импульсов корректируют, так чтобы скомпенсировать движение на изображении посредством сдвига или вращения при сканировании в соответствии с параметрами перемещения и/или вращения, c) получают совокупность данных сигнала МР посредством повторения этапов а) и b) несколько раз, d) реконструируют одно или более МР изображения из совокупности данных сигнала МР.

Способ оценки местной инъекционной анестезии пульпы зуба // 2579420

Изобретение относится к медицине, а именно к анестезиологии в стоматологии, и может быть использовано для оценки местной инъекционной анестезии пульпы зуба. Проводят графическую регистрацию пульсирующего потока крови по сосудистой системе пульпы зуба в процессе измерения его комплексного электрического сопротивления - импеданса.

Способ прогнозирования ранних осложнений дентальной имплантации // 2578908

Изобретение относится к медицине, а именно к хирургической стоматологии, и может быть использовано для прогнозирования ранних осложнений дентальной имплантации на предоперационном этапе.

Способ динамической магнитно-резонансной диагностики злокачественных опухолей яичников // 2578184

Изобретение относится к медицине, онкологии, гинекологии, лучевой диагностике. Проводят магнитно-резонансную томографию (МРТ) малого таза, используя Т1-спин эхо с подавлением сигнала от жировой ткани FATSAT в аксиальной плоскости с толщиной среза 2.5 мм и шагом сканирования 0.3 мм до введения контрастного препарата (КП) и на 30, 60, 90, 120, 150 с после его введения.

Цифровой биометрический комплекс оценки функционального состояния пилота воздушного судна // 2587724

Изобретение относится к устройствам для определения психофизиологического состояния человека и может быть использовано для контроля операторской деятельности человека. Цифровой биометрический комплекс оценки функционального состояния пилота воздушного судна состоит из датчика кожно-гальванической реакции и двух блоков, из которых первый размещен на теле оператора и содержит датчики температуры и сердечных сокращений, выходы которых соединены с входами первого микроконтроллера, осуществляющего циклический опрос датчиков первого блока, имеющего энергонезависимую память и связанного своим выходом с входом передающего модуля радиоканала, и второй блок состоит из приемного модуля радиоканала, выход которого соединен с входом второго микроконтроллера, выход которого соединен с интерфейсом связи с внешними устройствами. Датчик кожно-гальванической реакции связан со вторым микроконтроллером, размещен на штурвале или ручке управления, а первый блок дополнен идентификатором, выполненным с возможностью формирования кода номера устройства или фамилии пилота. Изобретение позволяет повысить оперативность получения и достоверность результатов диагностики. 1 ил.