Спосіб визначення діелектричних параметрів біооб’єкта та пристрій для їх вимірювання

Винахід відноситься до біології, медицини, сільського і лісового господарства і служить для вимірювання параметрів біотканини, представленою електросхемою заміщення згідно з спрощеною моделлю Паулі - Швана. Найчастіше діагностують з допомогою діелектричних параметрів функціональний стан вищи х рослин. Спершу, як критерій життєвості біооб'єкта, використовували електричний опір на постійному струмі, але через неоднозначність, викликану поляризацією біотканини, відмовились від цього. Пізніше почали вимірювати електроімпеданс, інколи окремо його активну та реактивну складові, переважно на частоті 1кГц синусоїдальної напруги. Рідше здійснюється оцінювання стану рослин з допомогою імпульсного струму [1]. Так, у Канаді застосовують імпульсні вимірювачі опору, названі шигометрами за іменем їх розробника [2]. Ще рідше застосовують сигнали інших форм, наприклад пилозубої [3]. Але застосування несинусоїдальних сигналів страждає неточністю вимірювання і до того ж вимагає подачі на біооб'єкт небажаної високорівневої напруги, яка часто перевищує межу електричного стимулу. Тому найчастіше вимірюють модуль електроімпедансу і його ємнісну реактивну, складову, неправильно інтерпретовану деякими експериментаторами як "чиста" ємність на певній частоті, значення якої нерідко не згадується в наукових стаття х, чим зменшується цінність поданої інформації через труднощі порівняння результатів різних авторів [4]. Тепер найпоширенішою електричною моделлю біотканини є спрощена модель Паулі Швана [3, 5] і значно рідше - модель, описана Завадським [6]. Кожна з цих моделей характеризується наявністю двох активних опорів і ємності, відповідно сполучених між собою (фіг.1, 2). Доведено [7], що ці три параметри тісно корелюють з відповідними фізіологічними характеристиками біотканини, а значить, і з життєвим станом біооб'єкта. Тому доцільною є потреба визначити ці три параметри. Такі спроби частково були здійснені. Так в [9] було запропоновано спосіб вимірювання, правда, лише одного з трьох параметрів, а саме: ємності, а в [3] одного з двох активних опорів і часу релаксації, як добутку ємності на другий опір без їх розчленування. Всі згадані способи забезпечують отримування результатів, по-перше, не в повному обсязі, а по-друге, ці результати представлені у вигляді абсолютних, а не відносних величин. Останні мають перевагу, бо в меншій мірі залежать від по-сторонніх і небажаних факторів, оскільки при цьому тут відбувається певна компенсація похибок вимірювання. Від цього недоліку частково звільнений запропонований Тарусовим спосіб вимірювання модулів електроімпедансу на двох частота х і визначення через їх відношення так званого коефіцієнта поляризації [5]. Одначе цей спосіб не позволяє однозначно оцінити цей коефіцієнт, бо він є частотнозалежним (див. нижче), а три шукані параметри не визначаються зовсім. В основу нашого винаходу поставлено задачу підвищити достовірність і точність визначення діелектричних параметрів, які, як доведено [7], є найтіснішими відповідниками фізіологічних показників біооб'єкта, а через них ще і знайти залежність між діелектричними показниками і "істинним" (частотнонезалежним) коефіцієнтом поляризації. Поставлена задача розв'язується шляхом почергової подачі на біооб'єкт двох синусоїдальних напруг різних частот, вимірювання модулів і аргументів електроімпедансу на цих частотах і обчисленні за знайденими формулами трьох діелектричних параметрів. Запропоновано ще два альтернативні варіанти способу, які заключаються в почерговій подачі на біооб'єкт через операційний підсилювач двох синусоїдальних напруг різних частот, вимірюванні синфазних і квадратурних складових вихідної напруги і обчисленні за модифікованими формулами згаданих параметрів. При цьому для одного альтернативного варіанту вихідною напругою є напруга на біооб'єкті, а для другого - на зразковому резисторі. Поставлена задача розв'язана і на апаратурному рівні: розроблено пристрій для вимірювання діелектричних параметрів біотканини, оснований на детектуванні синфазної і квадратурної складових з допомогою двох фазодетекторів. На фіг.1 представлена електрична схема заміщення біотканини за Паулі - Шваном, на фіг.2 схема, описана Завадським, на фіг.3 - структурна схема пристрою. Суть запропонованого способу пояснює фіг.1. Електроімпеданс Zx цього-двополюсника дорівнює геометричній сумі його активної Rx та реактивної Xx складових: де R - електричний опір міжклітинної рідини в тканині; r - сума цитоплазматичного і поляризаційного опорів; C - поляризаційна ємність; w - кругова частота електричного струму. Із (1) видно, що тангенс кута j фазового зсуву дорівнює: Приймемо для однозначности w1 r.