Пристрій для оцінки електричних шумів біооб’єктів

Пристрій для оцінки електричних шумів біооб’єктів, що містить два металевих електроди, які розміщені на поверхні біооб’єкта, диференційний підсилювач, смуговий фільтр, квадратичний перетворювач і змінний резистор, розміщений в термостаті, який відрізняється тим, що в нього введені 3 19243 4 тичний перемикач, два підсилювача високої частокеруються ЕОМ, роздільно та почергово вимірюти, перемножувач сигналів, генератор низької часвати на об’єкті сумарний електричний шум, вклютоти, підсилювач низької частоти і синхронний чаючи біологічний, тільки тепловий шум біооб’єкта детектор. За допомогою цього пристрою можна та тільки власні шуми елементів вимірювальної вимірювати коефіцієнт фізіологічної активності схеми, а в процесорі за кодами результатів трьох біооб’єкту, який характеризує перевищення біоловимірювань обчислити коефіцієнт фізіологічної гічних шумів над тепловими і дає інформацію про активності, що дозволяє з високою точністю виміенергетичний стан живого організму і можливі збої рювати коефіцієнт фізіологічної активності, який в роботі його органів і систем. характеризує рівень електричних шумів в різних Проте, довготривала реєстрація цього коефіточках біооб’єкта. цієнту ускладнена, тому що зареєстрована вихідна На Фіг. зображена функціональна електрична напруга залежить не тільки від рівня теплових і схема пристрою для оцінки електричних шумів біологічних шумів, але й від нестабільності коефібіологічних об’єктів. цієнтів підсилення високочастотних підсилювачів, Пристрій складається з металевих електродів непостійності крутизни перетворення перемножу1 і 2, що знаходяться у контакті з біооб’єктом, що вача напруг, сталої часу фільтра, який усереднює досліджується, триключових мультиплексорів 3 і 4, результат перемноження шумових сигналів. Так як змінного резистора 5, що розміщений в термостаті потужність вимірюваних шумів дуже мала (106, зразкового конденсатора 7 і диференційного 10Вт), то застосовують підсилювачі з великим копідсилювача 8. При цьому перші ключі 3.1 і 4.1 ефіцієнтом підсилення (до 80-100дБ), температурмультиплексорів з’єднані з металевими електрону і часову стабільність яких важко забезпечити. дами 1 і 2, змінний резистор 5 ввімкнений між друКрім того, відомий пристрій не забезпечує пряме гими ключами 3.2 і 4.2, зразковий конденсатор 7 вимірювання коефіцієнта біологічної активності, ввімкнений між третіми ключами 3.3 і 4.3 мультиптому що потрібне додаткове вимірювання теплолексорів 3, 4. Виходи мультиплексорів 3,4 з’єднані вого шуму і виконання ручних операцій по вимірюз входами диференційного підсилювача 8, до виванню відношення напруги біологічного шуму до ходу якого під’єднані послідовно з’єднані смуговий напруги теплового шуму. Ці недоліки не забезпефільтр 9, квадратичний перетворювач 10 і інтегчують високоточної оцінки рівня електричних шуруючий аналого-цифровий перетворювач (АЦП) мів живих організмів. 11. В основу корисної моделі покладена задача Цифровий вихід інтегруючого АЦП 11 створити такий пристрій для оцінки електричних з’єднаний із входом ЕОМ 12, до виходів якої шумів біооб’єктів, в якому введення нових елеменпід’єднані цифровий індикатор 13 і керуючі входи тів і зв’язків забезпечило б виключення впливу мультиплексорів 3 і 4. нестабільності коефіцієнтів перетворення підсиЦифрою 14 позначений біооб’єкт, що дослілювачів і інших елементів вимірювальної схеми, а джується. також власних шумів на реєстровану напругу, що Біооб’єктами можуть бути будь-які живі організабезпечить високу точність вимірювання зовнішзми тваринного і рослинного походження, в яких ніх інформаційних електричних шумів і безпосерепротікають фізіологічні процеси. дню реєстрацію коефіцієнта біологічної активності Пристрій працює за програмою, записаною в в різних точках біооб’єкта. пам’яті комп’ютера таким чином. Поставлена задача досягається тим, що в На поверхні біооб’єкта 14 в біологічно активпристрій для оцінки рівня електричних шумів біоних зонах розміщують металеві електроди 1 і 2, об’єктів, що містить два металевих електрода, які якими знімають електричну шумову напругу. Квадрозміщені на поверхні біооб’єкту, диференційний рат напруги теплового характеру пропорційний підсилювач, смуговий фільтр, квадратичний перетемпературі біооб’єкта і визначається за формутворювач і змінний резистор, розміщений в термолою Найквіста: статі, згідно з корисною моделлю, в нього введені 2 (1) UT 4KT fR два триключових мультиплексора, інтегруючий 2 аналого-цифровий перетворювач, ЕОМ з цифроUT - середній квадрат (дисперсія) шумової вим індикатором і зразковий конденсатор, при напруги; цьому металеві електроди ввімкнути між першими К - постійна Больцмана; ключами мультиплексорів, змінний резистор - між Т - термодинамічна температура; другими , а зразковий конденсатор - між третіми , f - смуга частот, в якій вимірюється шумова виходи мультиплексорів з’єднані із входами дифенапруга; ренційного підсилювача, вихід якого через смугоR - опір частини біооб’єкта. що зондується вий фільтр з’єднаний з входом квадратичного пеелектродами. Біологічний шум об’єкта є надлишретворювача, до виходу якого через інтегручий ковим відносно теплового і визначається швидкісаналого-цифровой перетворювач під’єднана ЕОМ, тю протікання фізіологічних процесів. Фізіологічні до виходів якої під’єднані керуючі входи мультиппроцеси супроводжуються хімічними реакціями, лексорів. швидкість яких також в першу чергу залежить від Введення в схему пристрою для оцінки рівня температури, а також визначається концентрацією електричних шумів біооб’єктів, двох триключових речовин, які беруть участь в реакціях. Електричмультиплексорів, інтегруючого аналого-цифрового ний шум біологічного походження, що при цьому перетворювача, ЕОМ, цифрового індикатора і зравиникає, можна розглядати як добавку до тепловозкового конденсатора, з’єднаних зазначеним спого шуму і оцінювати його як перевищення тепсобом, дозволяє з допомогою мультиплексорів, що лового 5 19243 2 UБ (2) 4 KT fR де - коефіцієнт фізіологічної активності біооб’єкта. Коефіцієнт інтегрально віддзеркалює швидкість протікання метаболічних процесів у клітинах і органах біооб’єкта, а опір R є його поверхневим (електрошкірним) опором. При указаному на фігурі положенні замкнутих перших ключів контактів 3.1 і 4.1 мультиплексорів 3,4 сумарні шумові напруги (1) і (2) поступають на диференційний підсилювач 8. Враховуючи, що тепловий шум і біологічний шум між собою не корельовані, тому що мають різну фізичну природу, то середньоквадратичне значення підсиленої напруги можна показати у вигляді: 2 U1K 1 UT 2 UБ 2 UВ (3) де U 2 - дисперсія власних шумів диференці В иного підсилювача 8, приведені до його входів. К1 - коефіцієнт підсилення диференційного підсилювача 8. Підсилена напруга фільтрується смуговим фільтром 9, смуга пропускання якого вибирається в області підвищених частот (0,11МГц), де відсутні інтенсивні низькочастотні шуми і завади. Відфільтрована напруга піддається квадратичному перетворенню квадратором 10 і усереднюється в аналого-цифровому перетворювачі 11 інтегруючого типу. В результаті цих перетворень формується цифровий код, пропорційний квадрату напруги U1 2 (4) SK 2U1 / q 2 де К2 - коефіцієнт передачі смугового фільтра 9; S - крутизна перетворення квадратичного перетворювача 10; q - одиниця молодшого розряду інтегрального АЦП 11. Код (4) поступає в ЕОМ 12 і запам’ятовується в його пам’яті. Далі за командою ЕОМ 12 перші ключі 3.1 і 4.1 мультиплексорів 3, 4 розмикаються, а другі ключі 3.2 і 4.2 – замикаються. На вхід диференційного підсилювача 8 поступає шумова напруга змінного резистора 5, який розміщений в термостаті 6. Опір змінного резистора 5 встановлюють рівним поверхневому опору біооб’єкта між електродами 1 і 2. Температуру термостата 6 встановлюють рівною температурі біооб’єкта. В цьому випадку змінний резистор 5 генерує тепловий шум, що дорівнює тепловому шуму біооб’єкта на електродах 1 і 2. Біологічний шум в змінному резисторі 5, звичайно, відсутній. Через відсутність біологічного шуму середньоквадратичне значення напруги на виході диференційного підсилювача 8 зменшується до значення N1 2 2 (5) K 1 UT UB Після фільтрації у смуговому фільтрі 9, напруга піддається квадратичному перетворенню квадратором 10 і усереднюється в аналого-цифровому перетворювачі 11 інтегруючого типу. В результаті цих перетворень формується другий цифровий код, пропорційний квадрату напруги U2 U2 N2 SK 2U2 / q 2 2 Код (6) також запам’ятовується в ЕОМ 12. (6) 6 Наступною командою ЕОМ 12 другі ключі 3.2 і 4.2 мультиплексорів 3, 4 розмикаються, а треті ключі 3.3 і 4.3 - замикаються. До входу диференційного підсилювача 8 під’єднується зразковий конденсатор 7, що немає діелектричних втрат. Ємність зразкового конденсатора 7 обирається за умови рівності повних опорів змінного резистора 5 і зразкового конденсатора 7 (7) R 1/ 2 f0 C де С - ємність зразкового конденсатора 7; f0 - центральна частота смугового фільтра 9. Як відомо, зразковий конденсатор без втрат немає теплових шумів, то вихідна напруга диференційного підсилювача 8 визначається тільки його власними струмовими шумами, які протікають через зразковий конденсатор 7 і шумовою напругою всередині самого диференційного підсилювача 8. В результаті виконання рівняння (7) шуми диференційного підсилювача 8 не змінюються і його вихідна напруга зменшиться до значення 2 (8) K 1 UB Відповідний цифровий код на виході інтегрального АЦП 11 приймає третє значення U3 2 (9) SK 2U3 / q 2 Код (9) також запам’ятовується в ЕОМ 12. В процесорі ЕОМ 12 за результатами проміжних вимірювань обчислюється результуючий код N1 N2 N (10) N2 N3 Підставивши у вираз (10) значення кодів з (4), (6) і (9), одержимо значення коефіцієнта фізіологічної активності N3 2 N1 N2 UБ (11) 2 N2 N3 UТ З виразу (11) видно, що на значення коефіцієнта фізіологічної активності не впливають власні шуми елементів вимірювальної схеми Um, а також коефіцієнти підсилення К1 і фільтрації К2 та крутизна перетворення S активних елементів схеми. Цей коефіцієнт одержують безпосередньо в процесі вимірювання без додаткових ручних обчислень і реєструється з високою точністю. Для виключення випадкових похибок проміжних вимірювань коди N1; N2, і N3 визначають кілька разів і результати усереднюються в комп’ютері. Результуючий коефіцієнт фізіологічної активності обчислюється за середніми результатами трьох вимірювань N N1 N2 N2 N3 (12) де середнє значення коефіцієнта фізіологічної активності; Значення коефіцієнта показує цифровий індикатор 13, а його поточні значення реєструються у пам’яті ЕОМ 12. Чим більший коефіцієнт , тим більш інтенсивно протікають електрофізіологічні процеси в клітинах і тканинах досліджуваного біооб’єкта. Дослідження показали, що метаболічні процеси, що протікають в живих організмах, супрово 7 19243 8 джуються переносом електричних зарядів як у вим шумом з суцільним або дискретним спек грасередині клітин, так і в міжклітинному просторі. ми. Клітинна побудова біооб’єктів сприяє виникненню За допомогою запропонованого пристрою заградієнтних іонних мікрострумів при русі іонів чефіксовано біологічний шум людини у смузі частот рез кліткові мембрани. Випадковий характер відк300±60кГц; 750±80кГц і на більш високих частотах. ривання і закривання воріт іонних каналів, флуктуПеревищення біологічного шуму над тепловим, ації електричних зарядів на кліткових мембранах, тобто коефіцієнт фізіологічної активності для пофлуктуації потенціалів покою і активності нервових верхні рук має значення 0,4-0,65, а в області грудволокон і т.п. обумовлюють високочастотний біоної клітки - 0,55-0,7. Процеси запалення в організмі логічний шум. На відміну від теплового рівномірнозбільшують значення вказаних коефіцієнтів до 0,7го шуму, який характеризується суцільним спект0,9, а пухлинні процеси знижують до 0,2-0,3. ром у широкому частотному діапазоні, неврівноважений біологічний шум є вузькосмуго Комп’ютерна верстка Н. Лисенко Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601