Пристрій для дослідження електричних характеристик біологічних об’єктів

Винахід відноситься до медичної техніки, а саме до пристроїв для дослідження електричних характеристик біологічних об'єктів, які можуть бути використані для оцінки функціонального стану тканин організму. Відомий пристрій для дослідження електричних характеристик біологічних тканин, що включає в себе послідовно з'єднані комірку з електродами, повторювач потенціалу і диференціальний підсилювач. До схеми пристрою також входять генератор опорної напруги, стр умовий електрод, реєструючи прилади і перетворювач напруга-стр ум. [А.С.СРСР № 845823, кл.А61В5/04, 1981р.]. Недоліком цього пристрою є невисока точність вимірювання електричних характеристик біологічних тканин, та складність схеми пристрою. Найбільш близьким до винаходу і прийнятому за прототип є пристрій для вимірювання параметрів діелектриків, що включає в себе послідовно з'єднані мостову схему вимірювання, підсилювач, детектор, реєструючи й пристрій і фазоінвертор. У вимірювальне плече моста послідовно підключені кварцовий резонатор і ємнісний датчик з двома електродами, які підключаються до досліджуваного об'єкту. [А.С. СРСР №1.114.960, кл. G01R17/10, G01R27/26, 1984р.]. Основним недоліком цього пристрою є: - низька точність пристрою, особливо при вимірюванні малих ємностей об'єкту; - неможливість вимірювання омічного опору біологічних об'єктів, (пристрій може міряти тільки ємнісний опір об'єкту), що звужує функціональні можливості пристрою; - ємнісний датчик пристрою безпосередньо входить в схему автогенератора, який і є джерелом живлення для мостової схеми; при малих значеннях вимірюваної ємності (1-10 пФ) автогенератор не забезпечує стабільного живлення мостової схеми, що призводить до збою вимірювань і зниження надійності роботи пристрою; - пристрій має тільки один режим роботи - вимірювання ємнісного опору об'єкта, а для досліджень електричних характеристик біологічних тканин необхідно ще декілька режимів роботи, які не передбачені в пристрої, а саме: визначення ступеня проходження сигналу через досліджуваний об'єкт; визначення омічного опору досліджуваного біологічного об'єкту. Ці недоліки знижують технічні характеристики пристрою, що не дає можливості для проведення комплексу досліджень електричних параметрів біологічних об'єктів. Винахід, що заявляється, вирішує задачу створення пристрою для дослідження електричних характеристик біооб'єктів з розширеними технічними можливостями, які забезпечуються шляхом введення в його схему нових блоків, їх зв'язків і включенням відомих блоків по іншому, що суттєво підви щує функціональні можливості пристрою. Рішення цієї задачі досягається тим, що пристрій для дослідження електричних характеристик біологічних об'єктів, що складається з послідовно з'єднаних генератора, мостової схеми, диференціального підсилювача вимірювання, детектора, реєструючого приладу, їх блоку живлення, та комірки з допоміжним і вимірювальним електродами і змінні резистор і конденсатор, а кожне плече мостової схеми має по одному постійному резистору, при цьому вимірювальне плече мостової схеми має розрив між виводом постійного резистора і першим входом вимірювальної діагоналі і цей вивід резистора підключений до допоміжного електроду комірки, згідно винаходу, він додатково містить перший перемикач і диференціальний підсилювач порівняння, при цьому перший перемикач, включений між вимірювальним електродом і другим входом диференціального підсилювача порівняння, перший вхід якого з'єднаний з першим входом вимірювальної діагоналі мостової схеми, другий вхід цієї діагоналі підключений до другого входу ди ференціального підсилювача вимірювання, перший вхід якого підключений до виходу диференціального підсилювача порівняння. При цьому генератор, включений у діагональ живлення мостової схеми, виконано незалежним від вимірювального об'єкту. Крім того, пристрій додатково містить комутаційну схему підключення змінних резистора і конденсатора до схеми пристрою. Крім цього, як реєструючий прилад в схему пристрою підключений мультиметр з шістю входами, перший і другий входи призначені для вимірювання ємності, третій і четвертий входи - для вимірювання опору, а п'ятий і шостий входи - для вимірювання напруги сигналу з детектора, при цьому перші чотири входи мультиметра підключені до комутаційної схеми, а п'ятий і шостий входи - до ви ходу детектора. До того ж комутаційна схема виконана з двох реле, першого і другого, в коло живлення яких включені другий і третій перемикачі, при цьому кожен реле має по шість контактів, два нормально-розімкнути х контакті (перший третій, четвертий - п'ятий) та два нормально-замкнутих контакти (другій - третій, четвертий - шостий), при цьому перші контакти обох реле з'єднані між собою і підключені до другого входу диференціального підсилювача порівняння, другий контакт першого реле з'єднаний з третім входом мультиметра, третій і четвертий контакти першого реле підключені до змінного резистору, п'яті контакти обох реле з'єднані між собою і підключені до допоміжного електроду, шостий контакт першого реле з'єднаний з четвертим входом мультиметра, другий контакт другого реле підключений до першого воду м ультиметра, третій і четвертий контакт другого реле підключені до змінного конденсатора, шостий контакт другого реле підключений до другого входу мультиметра. Саме ці ознаки необхідні і достатні для вирішення поставленої задачі. Так, введення першого перемикача і диференціального підсилювача порівняння та їх нові зв'язки дозволяють підвищити точність вимірювання за рахунок диференціального підсилювача порівняння, особливо при вимірюванні малих значень електричних характеристик біооб'єктів. Те, що генератор, включений у діагональ живлення мостової схеми, виконано незалежним від вимірювального об'єкту - дозволяє підвищити стабільність живлення мостової схеми, та підвищує надійність роботи пристрою, при цьому можна зменшити вихідну напругу генератора, що призводить до зменшення руйнування біооб'єктів від електричного струму, який проходить при вимірюванні їх електричних характеристик. Введення комутаційної схеми підключення змінних резистора і конденсатора до схеми пристрою дозволяє автоматизувати процес комутації, розширити режими роботи пристрою і дає можливість проведення комплексу досліджень електричних характеристик біооб'єктів. Те, що в якості реєструю чого приладу в схему пристрою підключений мультиметр з шести входами, дозволяє одним мультиметром вимірювати найважливіші характеристики біооб'єктів - активний (омічний) опір, ємність, напругу, до того ж це дуже зручно і компактно при дослідженнях електричних характеристик біооб'єктів. Те, що комутаційна схема виконана з двох реле: першого і другого, в коло живлення яких включені другий і третій перемикачі, при цьому кожне реле має по шість контактів, два нормально-розімкнутих і два нормальнозамкнути х контакти і їх зв'язки - дозволяє мінімізувати і спростити комутаційну схему і спростити роботу з пристроєм. Винахід пояснюється блок-схемою пристрою. Пристрій складається з послідовно з'єднаних генератора (1), мостової схеми (2), диференціального підсилювача порівняння (3), диференційного підсилювача вимірювання (4), детектора (5), мультиметра (6), блоку живлення (7). Схема комутації складається з двох реле - першого (8) та другого (9). Пристрій має два електроди допоміжний (10) і вимірювальний (11), який підключено до диференціального підсилювача (3) через перемикач (12). В схему також входять змінні резистор (13) і конденсатор (14). В обмотку живлення першого реле (8) включений перемикач (15), а в обмотку живлення другого реле (9) - перемикач (16). Досліджувана біологічна тканина (17) розташовується між електродами (10) і (11) у вимірювальній комірці (18). Генератор (1) виконаний незалежним від вимірювального об'єкту і його виходи підключаються до діагоналі (19-20) живлення мостової схеми (2). Мостова схема (2) має чотири плеча в кожне з яких включено по одному постійному резистору. Змінювальна діагональ схеми (2) має перший (21) і другий вихід (22). Вимірювальне плече між вузлами (19)-(21) має розрив. Постійний резистор одним кінцем підключено до вузла (19) мостової схеми, а др угий його кінець підключено до допоміжного електрода (10). Вхід (21) мостової схеми підключено до першого входу (23) підсилювача (3). Диференціальний підсилювач (3) порівняння має першій вхід (23), другий вхід (24) і вихід (25). Вхід (24) підсилювача (3) через перемикач (12) з'єднано з вимірювальним електродом (11). Вихід (25) з'єднаний з першим входом (26) підсилювача (4). Диференціальний підсилювач (4) вимірювання має перший вхід (26), другий вхід (27) і вихід, який підключено до детектора (5). Другий вхід (27) підсилювача (4) приєднаний до другого виходу (22) вимірювальної діагоналі мостової схеми (2). Детектор (5) має вхід, який з'єднано з виходом підсилювача (4) і вихід, який підключено на п'ятий (32) і шостий (33) входи мультиметра (6). Мультиметр (6) має шість входів: перший (28), другий (29), третій (ЗО), четвертий (31), п'ятий (32) і шостий (33). Блок живлення (7) забезпечує живлення всіх блоків пристрою. До цього блока через перемикачі (15) і (16) підключено реле (8) і (9). Реле (8) має два нормально-замкнутих і два нормально - розімкнутих контакти, які виведені на шість контактів: перший - К 1.1.; другий-К 1.2., третій-К 1.3., четвертий-К 1.4., п'ятий-К 1.5. і шостий-КІ.6. Реле (9) має такі ж самі контакті, як і в реле (8) які виведені на шість контактів: перший-К 2.1., другий-К 2.2., третій-К 2.3., четвертий-К.2.4., п'ятий-К 2.5. і шостий-К 2.6. Перші контакти (К 1.1. і К.2.1.) обох реле з'єднані між собою і підключені до другого входу (24) диференціального підсилювача (3). Другий контакт (К 1.2.) першого реле (8) з'єднаний з третім входом (ЗО) мультиметра (6). Третій і четвертий контакти (К 1.3 і К 1.4) першого реле (8) підключені до змінного резистора (13). П'яті контакти (К 1.5. і К2.5.) обох реле з'єднані між собою і підключені до допоміжного електрода (10). Шостий контакт К 1.6. першого реле (8) з'єднаний з четвертим входом (31) мультиметра. Другий контакт (К 2.2.) другого реле (9) підключений до першого входу (28) мультиметра (6). Третій (К 2.3.) і четвертий (К.2.4) контакти другого реле (9) підключені до змінного конденсатора (14). Шостий контакт (К2.6.) другого реле (9) підключений до другого входу (29) мультиметра (6). Пристрій має три основні режими роботи: - визначення ступеня проходження сигналу через досліджуваний біооб'єкт; - визначення омічного опору досліджуваного біооб'єкту; - визначення ємнісного опору досліджуваного біооб'єкту. 1-й режим: Визначення ступеня проходження сигналу через біологічний об'єкт Вмикаємо пристрій. Сигнал генератора (1) подається на мостову схему (2). З її ви ходу (21) сигнал проходить на перший вхід (23) диференційного підсилювача порівняння (3), цей сигнал є калібровочним сигналом. З другого плеча мостової схеми (2) сигнал з генератора (1) проходить на допоміжний електрод (10). Таким чином електричний сигнал проходить через біооб'єкт (17), змінюючи свою амплітуду до вимірювального електроду (11). При вмиканні перемикача (12) змінений сигнал приходить на другий вхід (24) диференціального підсилювача (3), де він порівнюється з калібровочним сигналом, який знаходиться на першому вході (23) підсилювача (3). Сигнал порівняння підсилюється підсилювачем (3) і з його виходу (25) проходить на перший вхід (26) підсилювача (4). Там сигнал порівнюється з сигналом на вході (27), який проходить від вузла (22) мостової схеми (2). Сигнал порівняння підсилюється підсилювачем (4) і з його виходу поступає на детектор (5) і далі на мілівольтметр (входи 32 і 33) мультиметра (6), який і показує величину, яка і свідчить про ступінь проходження сигналу через досліджуваний біологічний об'єкт (17). Цей ступінь залежить від омічного і ємнісного опору досліджуваного об'єкту. Їх сума і є імпедансом біологічного об'єкту. ІІ-й режим: Визначення омічного опору досліджуваного біологічного об'єкту В цьому режимі замість біологічного об'єкту (17) підключають замінний резистор (13), яким і виставляють попереднє показання мілівольтметра мультиметра (6), ті ж самі, що і при вимірюванні біологічного об'єкту (17). Для цього перемикачем (15) вмикають реле (8), при цьому його контакти К 1.3., К 1.2., і К 1.4., К 1.6. розмикаються, а контакти К 1.3, К 1.1. і К 1.4., К 1.5. замикаються, при цьому перемикач (12) розмикають. Сигнал з допоміжного електроду (10) через замінний резистор (13) поступає на другий вхід (24) підсилювача (3) і далі проходження сигналу те ж саме, ще і в 1-му режимі. Резистором (13) виставляють показання мілівольтметра мультиметра (6), ті ж самі що і при вимірюванні біологічного об'єкту (17). Відключають реле (8), при цьому його нормально-замкнуті контакти підключають змінний резистор (13) до Омметру мультиметра (6) на його входи (ЗО) і (31). Вимірюють опір. Його значення і є омічним опором біологічного об'єкту (17). ІІІ-й режим: Визначення ємнісного опору досліджуваного біологічного об'єкту В цьому режимі замість біологічного об'єкту (17) підключають змінний конденсатор (14), яким і виставляють попереднє показання мілівольтметра мультиметра (6), ті ж самі що і при вимірюванні біологічного об'єкту (17). Для цього перемикачем (16) вмикають реле (9), при цьому контакти К 2.3., К 2.1. і К 2.4., К 2.5. розмикаються, а контакти К 2.3., К 2.2. і К 2.4., К 2.6. замикаються, при цьому перемикач (12) розмикають. Сигнал з допоміжного електроду (10) через змінний конденсатор (14) поступає на другий вхід (24) підсилювача (3) і далі проходження сигналу те саме, що і в 1-му режимі. Конденсатором (14) виставляють показання мілівольтметра мультиметра (6), ті ж самі, що і при вимірюванні біологічного об'єкту (17). Відмикають реле (9), при цьому його нормально-замкнуті контакти підмикають змінний конденсатор (14) до вимірювача ємності, мультиметра (6) на його входи (28) і (29). Вимірюють цю ємність. Знаючи цю ємність і параметри сигналу враховують ємнісний опір, який і являється ємнісним опором біологічного об'єкту (17). Пристрій, як він описаний вище, дозволяє: - підвищити точність пристрою; - вимірювати омічний і ємнісний опір біологічних об'єктів; - забезпечити надійність роботи пристрою; - розширити режими роботи пристрою; - зменшити напругу генератора, що призводить до зменшення руйнування біологічного об'єкту. Таким чином, пристрій дає можливість проведення комплексу досліджень електричних характеристик біологічних тканин, що сприяє рішенню більш широкого кола завдань по оцінюванню функціонального стану біологічних об'єктів.