Електричний спосіб вимірювання параметрів імпедансу біооб’єктів

Електричний спосіб вимірювання параметрів імпедансу біооб'єктів, який заключається в тому, що на біооб'єкт подають синусоїдальну напругу і вимірюють складові (активний опір і ємність) його електроімпедансу, який відрізняється тим, що на біооб'єкт почергово подають також і постійну напругу однієї, потім протилежної полярності, вимірюють при цьому постійні опори, а три діелектричні параметри імпедансу електричної схеми замі щення біооб'єкта згідно із спрощеною моделлю Паулі-Швана обчислюють за формулами: R + Rз 1/ RF - 1/ R 0 R= п = R0 ; r = ; 2 (wC F ) 2 + (1 / R F - 1 / R 0 ) 2 Винахід відноситься до біології, переважно до рослинництва, і служить для вимірювання діелектричних параметрів біотканини, представленої через спрощену модель Паулі-Швана або модель Завадського. Існує багато електричних способів експрестестування стану біооб'єктів [1]. Однак найдосконалішим з них є універсальний спосіб [2], з допомогою якого можна визначити не тільки модуль і аргумент імпедансу біотканини на будь-якій частоті електричного струму, але й два характеристичні активні опори і ємність чи навіть впроваджений Тарусовим [3] коефіцієнт поляризації. Суть способупрототипу [2] заключається в почерговій подачі на біооб'єкт двох син усоїдальних напруг різних частот, вимірюванні модулів і аргументів імпедансу (чи альтернативно: синфазних і квадратурних складових вихідної напруги, віднесеної до вхідної напруги) на цих частота х і обчисленні за знайденими формулами перечислених вище параметрів біооб'єкта. Недоліком способу-прототипу є складність обчислення параметрів через наявність у формулах значної кількості величин (від шести до восьми) і викликаного цим зниження точності тестування. В основу запропонованого способу поставлено задачу спростити процедуру вимірювання і підвищити його достовірність за рахунок зменшення числа вимірюваних електричних величин. Це досягається шляхом вимірювання активного опору і ємності електроімпедансу на одній частоті (а не на двох, як у прототипу) і електричного опору на постійному стр умі. На фіг. 1 представлена електросхема заміщення за спрощеною моделлю Паулі-Швана, на фіг. 2 - електросхема заміщення Завадського. Із фіг. 1 знаходимо вираз для електроадмітансу біооб'єкта: 1 + jw(R + r)C Y = gF + jbF = , (1) R(1 + jwCr) де Y, gF, bF - відповідно адмітанс та його активна і реактивна провідність; w - кругова частота електричного струму; R - електричний опір міжклітинної рідини в тканині; r - сума цитоплазматичного і поляризаційного опорів; C - поляризаційна ємність, причому é æ 1/ R - 1/ R F 0 C = CF ê1 + ç ê ç wC F ë è ö ÷ ÷ ø 2 ù ú, ú û де (19) UA (11) 28467 (13) A R, r, C - опори і ємність біооб'єкта за ПауліШваном; Rп, Rз, R0 - відповідно постійні опори біооб'єкта, виміряні при прямій і зворотній полярностях прикладуваної напруги, і їх середнє значення; w - кругова частота синусоїдальної напруги на біооб'єкт; RF, CF - активний опір і ємність біооб'єкта, виміряні на частоті f. 28467 1+ w2 C2 (R + r )r 1 = , RF R(1 + w 2C2 r 2 ) b C CF = F = , w 1 + w2 C 2 r 2 gF = r1 (2) (3) r2 де RF, CF - активний опір і ємність біооб'єкта на частоті f. Із (3) знаходимо: 1 C r= -1 , (4) CF wC Підставивши вираз для r із (4) в (2), отримуємо: 1 R= , (5) gF - wCF C C - 1 F Тоді із (5) знаходимо формулу для ємності: é æ 1 / R - 1/ R F 0 C = C F ê1 + ç ê ç wC F è ë ö ÷ ÷ ø 2 ù ú, ú û ; (12) (w CF ) 2 + (1 / R F - 1/ R 0 )2 R0 (wC F )2 + (1 / R F - 1 / R 0 ) 2 1+ 1 / R 0 (1 / R F - 1 / R 0 ) é æ 1/ R - 1/ R F 0 C = C F ê1 + ç ê ç wC F è ë ö ÷ ÷ ø 2 ; (13) ù ú´ ú û é 1/ R 0 (1/ RF -1/ R0 ) ù ´ ê1 + (14) ú, 2 ê (wCF ) + (1/ R F - 1/ R0 ) ú ë û На основі отриманих результатів сформулюємо суть винаходу: 1) подають на біооб'єкт синусоїдальну напругу частоти f і вимірюють складові електроімпедансу (опір RF та ємність CF), наприклад з допомогою стандартних вимірювачів, як то: імпедансоміри, тестери, мультиметри з високоомними вхідними опорами, бажано не менше 5-10 МОм, які на порядок перевищували б найбільші опори біооб'єктів; 2) подають почергово на біооб'єкт постійну напругу прямої та протилежної полярностей і вимірюють постійні опори Rп і Rз з допомогою тих же приладів; 3) визначають три діелектричні параметри за формулами (6)-(8) або (12)-(14). Маючи достатню кількість числових значень діелектричних параметрів, визначених запропонованим способом, і порівнюючи їх між собою для різних біооб'єктів, можна всесторонньо діагностувати життєздатність цих об'єктів, бо в останній час функціональні стани біооб'єктів оцінюються експериментаторами саме порівнянням двох, а то й трьох параметрів. Запропонований спосіб можна поширити не тільки на біооб'єкти, але й для визначення параметрів технічних об'єктів з аналогічними схемами заміщення. Джерела інформації 1. Рутковский И.В., Кишенков Ф.В. Применение электрофизиологических методов в лесовыращивании. Экспресс-информация ЦБНТИ Гослесхоза, М.: 1980, № 3, 44 стр. 2. Патентна заявка: "Спосіб визначення діелектричних параметрів біооб'єкта", подана авторами Мотузишиними в НДЦПЕ 25.02.1997 (клас А61В5/05). 3. Тарусов Б.Н, Основы биофизики и биофизической химии. М.: Высшая школа, 1960. (6) де R0=R, бо на постійному струмі опір R0 визначається тільки через опір R біооб'єкта (див. фіг. 1). Підставивши (6) в (4), отримуємо формулу для опору r: 1 / RF - 1 / R 0 r= , (7) (wC F )2 + (1 / R F - 1 / R 0 )2 Для отримання більш достовірного результату постійний опір будь-якого двополюсника, у якому крім активних опорів є ємність, слід вимірювати омметром після закінчення перехідного процесу і визначати його варто як середнє арифметичне значення із опорів при прямій і зворотній полярностях, тобто: R + Rз (8) R0 = п =R, 2 де Rп, Rз - опори, виміряні омметром при прямій (індекс "п") і зворотній (індекс "з") полярностях напруги, прикладеної до біооб'кта. Як відомо (2), параметри r1, r2, C1 схеми фіг. 2 однозначно обчислюються через параметри R, r, C схеми фіг. 1: R (9) r1 = ; 1+ r /R R (10) r2 = ; 1+ r /R 2 æ r ö C1 = Cç 1 + ÷ , Rø è Тому можна записати, що: 1+ R0 1 / R 0 (1/ R F - 1/ R 0 ) (11) Фіг. 1 Фіг. 2 2 28467 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 34 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 3