Спосіб виміру електрошкірного опору

Спосіб виміру електрошкірного опору, при якому накладають на точку акупунктури вимірювальний і за нею додатковий електроди, знімають шумову напругу електродів, розщеплюють напругу на дві протифазні напруги, підсилюють їх в смузі частот теплових флуктуацій, перемножують підсилені напруги, усереднюють, виділяють з усереднених перемножених напруг змінну складову частоти перемикань протифазних напруг, випрямляють її, вимірюють постійну складову випрямленої напруги, за якою обчислюють електрошкірний опір, який відрізняється тим, що знімають з вимірювального електрода відносно додаткового по черзі шумову напругу повторювачем напруги з високим вхідним опором та шумовий струм - перетворювачем струму в напругу з низьким вхідним опором, підсилюють обидві протифазні напруги по черзі одним підсилювачем, крім того, підсилюють одну з протифазних напруг безперервно іншим підсилювачем, випрямлені напруги перетворюють в перший та другий цифровий коди, запам'ятовують їх, а електрошкірний опір Rx обчислюють за формулою де Ni - перший код постійної напруги, пропорційної шумовій напрузі точки акупунктури, N2 - другий код постійної напруги, пропорційної шумовому струму точки акупунктури, S - крутизна перетворення шумового струму в шумову напругу ео Корисна модель відноситься до медичної техніки і може бути використана в рефлексотерапи для діагностики стану людини і тварин за значеннями електрошкірного опору в точках акупунктури незалежно від їх температури Відомий спосіб виміру електрошкірного опору [Патент України №31160А, МПК А61В5/04, бюл №7, 2000], в якому вимір проводять з оптимальною силою струму в межах від 20 до ЗОмкА в режимі мікроелектрофорезу при фіксованій площі контакту зі шкірою пацієнта Недоліком відомого способу є спотворення результату вимірювання через явище поляризації в біологічній тканині при протіканні постійного струму і електролітичного розкладання солей, що виділяються в процесі потовиділення Відомий спосіб виміру електрошкірного опору [Патент РФ №2128942, МПКА61В5/05, бюл №11, 1999], в якому для зниження впливу вказаних факторів використовується змінний зондуючий сигнал з частотою до 104-105Гц Проте при цьому зростає вплив ємнісної складової опору на результати вимірювання активної складової електрошкірного опору, який характеризує стан ТА при рефлексотерапи ВІДОМИЙ також спосіб виміру електрошкірного опору [Патент України №61753А, МПК А61В5/05, бюл №11, 2003], в якому накладають на точку акупунктури вимірювальний і поза нею додатковий електроди, знімають шумову напругу електродів, розщеплюють напругу на дві протифазні напруги, підсилюють їх в смузі частот теплових флуктуацій, перемножують підсилені напруги, усереднюють, виділяють з усереднених перемножених напруг змінну складову частоти перемикань протифазних напруг, випрямляють її, вимірюють постійну складову випрямленої напруги, за якою обчислюють електрошкірний опір Крім того дві протифазні напруги підсилюють, одну з посилених напруг знов розщеплюють на дві протифазні напруги, які по черзі перемножують з іншою посиленою напругою, а електрошкірний опір обчислюють за виміряною постійною складовою напруги з урахуванням нормованої крутизни перетворення при середній температурі шкіри У відомому способі є вплив корельованих шумів двох підсилювачів, які підсилюють розщеплені о ю (О О) 6650 протифазні напруги. Це викликано тим, що перемикаються посилені напруги, до складу яких входять власні як некорельовані так і корельовані шуми цих підсилювачів. Тому полярність перемножених корельованих шумів підсилювачів на виході перемножувача змінюється синхронно зі змінами полярності перемножених корельованих теплових шумів ТА і їх неможливості відділити один від одного. Крім того, несталість температури по поверхні шкіри людини і тварин спотворює результати вимірювань електрошкірного опору через залежність вимірюваної шумової напруги від температури. У основу корисної моделі поставлена задача створити такий спосіб виміру електрошкірного опору, в якому введення нових операцій обробки шумових сигналів і обчислення електрошкірного опору по новій формулі виключило б вплив корельованих шумів підсилювачів і несталість температури шкіряного покрову на точність виміру електрошкірного опору в точках акупунктури, що забезпечить підвищення достовірності електропунктурної діагностики. Поставлена задача вирішується тим, що в способі виміру електрошкірного опору, в якому накладають на точку акупунктури вимірювальний і поза нею додатковий електроди, знімають шумову напругу електродів, розщеплюють напругу на дві протифазні напруги, підсилюють їх в смузі частот теплових флуктуацій, перемножують підсилені напруги, усереднюють, виділяють з усереднених перемножених напруг змінну складову частоти перемикань протифазних напруг, випрямляють її, вимірюють постійну складову випрямленої напруги, за якою обчислюють електрошкірний опір, згідно корисної моделі, знімають з вимірювального електрода відносно додаткового по черзі шумову напругу повторювачем напруги з високим вхідним опором та шумовий струм перетворювачем струму в напругу з низьким вхідним опором, підсилюють обидві протифазні напруги по черзі одним підсилювачем, крім того, підсилюють одну з протифазних напруг безперервно іншим підсилювачем, випрямлені напруги перетворюють в перший та другий цифровий коди, запам'ятовують їх, а електрошкірний опір R обчислюють за формулою: нення знімання шумового струму з точки акупунктури, перетворення його в шумову напругу, повторне використовування вищезгаданих операцій для отримання другого цифрового коду, пропорційного шумовому струму, який також запам'ятовують, обчислення квадратного коріння з відношення двох кодів, по значенню якого визначають електрошкірний опір в точці акупунктури, дозволяє виключити вплив як некорельованих, так і корельованих шумів підсилювачів і несталість температури шкірного покрову на точність виміру електрошкірного опору, що забезпечує підвищення достовірності електропунктурної діагностики. На малюнку (Фіг.) зображена функціональна схема конкретної реалізації запропонованого способу. У запропонованому способі позицією 1 позначений шкіряний покров досліджуваного об'єкту, вимірювальний електрод 2 з малою площею контакту (2-2,5мм2), додатковий електрод 3 з великою площею контакту (20-25мм2), загальна заземлена шина 4, вхідний мультиплексор 5, повторювач напруги 6 з високим вхідним опором, перетворювач струму 7 в напругу, вихідний мультиплексор 8, диференціальний розщеплювач 9, автоматичний перемикач 10, мультивібратор 11, смугові високочастотні підсилювачі 12 і 13, перемножувач 14, фільтр 15 нижніх частот, виборчий підсилювач 16, синхронний детектор 17, аналого-цифровий перетворювач 18 інтегруючого типу, мікро-ЕВМ 19 і цифровий індикатор 20. Спосіб здійснюється таким чином. На шкіряному покрові 1 досліджуваного об'єкту розміщують вимірювальний електрод 2 у вибраній точці акупунктури (ТА) і додатковий електрод З, з'єднаний із загальною заземленою шиною 4. Між електродами 2 і 3 діє електрична шумова напруга від теплових флуктуацій елементарних носіїв струму (електронів, іонів, диполів). Найбільший внесок в цю напругу вносить опір ТА, оскільки опір додаткового електрода 3 незначний через велику площу контакту. Середній квадрат напруги теплових шумів при розімкненому ланцюзі RX = S-JN1/N2 , де Ni - перший код постійної напруги, пропорційної шумовій напрузі точки акупунктури; N 2 - Другий код постійної напруги, пропорційної шумовому струму точки акупунктури; S - крутизна перетворення шумового струму в шумову напругу. Використання спочатку операції знімання шумової напруги з точки акупунктури за допомогою вимірювального електроду щодо заземленого додаткового електроду, перетворення її в дві протифазні напруги, які по черзі з низькою частотою перемикань підсилюються одним смуговим підсилювачем, перемножуються з однією з розщеплених та підсилених безперервно напруг, виділення з усереднених перемножених напруг змінної складової частоти перемикань, випрямлення її синхронним детектуванням і перетворення в цифровий код з подальшим запам'ятовуванням, потім здійс де К - постійна Больцмана; Тх - термодинамічна температура ТА; Rx - опір ТА; Af - смуга частот виміру теплового шуму. Середній квадрат шумового струму, що виникає при замиканні вимірювального 2 і додаткового електродів 3 визначається співвідношенням 1 *f . (2) 'Л Вимір опору ТА здійснюється в два етапи, які відповідають двом положенням контактів мультиплексорів вхідного 5 і вихідного 8. У положенні мультиплексорів, вказаному на малюнку, до виходу вимірювального електроду 2 підключений малошумлячий повторювач 6 напруги з високим вхідним опором. На його виході повторюється шумова напруга, яка через вихідний мультиплексор 8 поступає на диференціальний розщеплювач 9. Пряма і інвертована напруги з виходів дифере 6650 нціального розщеплювача 9 поступають на входи автоматичного перемикача 10, який управляється прямокутною напругою мультивібратора 11. В результаті безперервної роботи автоматичного перемикача 10 вихідні напруги диференціального розщеплювача 9 по черзі посилюються смуговим високочастотним підсилювачем 12 із смугою пропускання теплових шумів Af і впливають на один вхід перемножувача 14. На другий вхід перемножувача 14 безперервно поступає напруга тільки з одного виходу диференціального розщеплювача 9, посилена безперервно смуговим високочастотним підсилювачем 13 також із смугою пропускання Af. Напруга теплових шумів мала і на одному рівні з власними шумами високочастотних підсилювачів. Тому смугові високочастотні підсилювачі 12 і 13 підсилюють адитивну суміш з теплових шумів ТА досліджуваного об'єкту і власних шумів відповідного підсилювача. Якщо представити шумові напруги UNO) в комплексному вигляді Ufs|, то сумарний шум на виході смугового високочастотного підсилювача 12 в результаті періодичної комутації автоматичного перемикача 10 змінюється від значення до значення де k r , - коефіцієнт посилення смугового високочастотного підсилювача 12; UJSJ-J - напруга власних шумів смугового високочастотного підсилювача 12 в комплексному вигляді. Сумарний шум на виході смугового високочастотного підсилювача 13 матиме постійне значення U3=k2(UN+UN2). (5) де к 2 - коефіцієнт посилення смугового високочастотного підсилювача 13; - напруга власних шумів смугового високочастотного підсилювача 13 в комплексному вигляді. В результаті добутку напруг (3) і (5), які відповідають одному положенню автоматичного перемикача 10, одержуємо вихідну напругу перемножувача 14: U4=mUiU 3 =mk 1 k 2 (UN+UNi)(UN+UN 2 ), 14. (6) де m - масштабний коефіцієнт перемножувача При іншому положенні автоматичного перемикача 10 маємо напругу U5=mU2U3= mkik 2 (-U N +U N i)(U N +U N2 ). (7) Добуток напруг (6) і (7) по черзі усереднюються у фільтрі 15 нижніх частот, що приводить до утворення в їх спектрі постійної складової напруги. При цьому слід врахувати, що власні шуми смугових високочастотних підсилювачів 12 і 13 мають корельовану і некорельовану складові. Середнє значення добутку некорельованих напруг за достатньо великий час усереднення наближається до нуля, а добуток корельованих напруг дає постійну складову напруги. Крім того тепловий шум, що знімається зі шкіряного покрову 1, некорельований з власними шумами смугових високочастот 6 них підсилювачів 12 і 13. Сам же тепловий шум LJ|\j на входах перемножувача 14 є корельованим і має постійну складову, оскільки формується від однієї ТА. З урахуванням усереднення напруг (6) і (7) одержуємо: (8) (9) де UB - напруга зсуву вихідної напруги перемножувача 14 (дрейф його нуля); UCN - напруга корельованих шумів, яка містить добуток корельованих складових власних шумів смугового високочастотного підсилювачів 12 і 13; кз - коефіцієнт передачі фільтру 15 нижніх частот. З виразів (8) і (9) видно, що у вихідних напругах комутованого перемножувача 14 присутня незмінна постійна складова напруги (UB + UF) ' складова з полярністю, що змінюється. Таким чином, з тимчасової послідовності напруг (8) і (9) можна виділити інформативну знакозмінну напругу прямокутної форми (10) Ug = де signsin2;cFt - прямокутна напруга типу "меандр"; F - частота перемикань автоматичного перемикача 10. Для виділення корисної складової (10) з перешкод і низькочастотних шумів перемножувача вихідну напругу фільтру 15 нижніх частот подають на виборчий підсилювач 16, налаштований на частоту F перемикань мультивібратора 11. Перша гармоніка напруги (10) посилюється виборчим підсилювачем 16 і випрямляється синхронним детектором 17, який керується напругою мультивібратора 11. На вхід аналого-цифрового перетворювача 18 поступає випрямлена напруга \Jj = ткік2кзк4ІЛі +Ц_(0, (11) де \и - коефіцієнт посилення виборчого підсилювача 16; Ui_(t) - низькочастотні шуми, що потрапляють в смугу пропускання виборчого підсилювача 16. Оскільки аналого-цифровий перетворювач 18 є інтегруючим, то його вихідний код пропорційний постійній складовій напруги (11) Й> 02) де q - одиниця молодшого розряду аналогоцифрового перетворювача 18. Перший цифровий код N заноситься в оперативну пам'ять мікро-ЕВМ 19. На другому етапі виміру опору ТА мультиплексори 5 і 8 перемикаються в протилежне положення. В результаті до вимірювального електроду 2 підключається перетворювач 7 струму в напругу з низькоомним входом. На виході перетворювача 7 формується напруга UN=SiN(t), (13) 6650 де S - крутизна перетворення шумового струму в напругу Напруга (13) через мультиплексор 8 поступає на диференціальний розщеплювач 9, на виходах якого створюються напруги аналогічні (3) і (4) 8 Після обчислюємо квадратний корінь в процесорі мікро-ЕВМ 19, N4 = -у/Йз = — ^ (20) На цифровий індикатор 20 виводиться значення коду (20) електрошкірного опору 04) RX = SN4=SA/N1/N2 Шумові напруги (14) і (15) по черзі з частотою перемикання автоматичного перемикача 10 посилюються смуговим високочастотним підсилювачем 12, а одна з розщеплених напруг посилюється безперервно смуговим високочастотним підсилювачем 13 3 перемножуваних і усереднених шумових напруг виділяється виборчим підсилювачем 16 змінна складова напруги, пропорційна квадрату шумового струму ТА Ug = т к - ^ к з к ^ + Ц_0) (16) Змінна напруга (16) синхронно детектується синхронним детектором 17 і перетворюється аналого-цифровим перетворювачем 18 в другий цифровий код Код числа N2 також заноситься в оперативну пам'ять мікро-ЕВМ 19 У процесорі мікро-ЕВМ 19 обчислюється відношення кодів (12) і (17) N2 S2 і2 (18) Підставляючи у вираз (18) значення квадрата шумової напруги з (1) і квадрата шумового струму з (2), одержуємо 2 N3=-4 S 2 (21) З одержаного виразу видно, що в розрахункову формулу (21) не входять параметри вимірювальної схеми (к^ кг, кз, к4, m, q), власні шуми підсилювачів ( U M , UN2), зсув нуля перемножувача (UB), смуга частот (Af) і температура ТА (Тх) Це забезпечує високу точність вимірювання електрошкірного опору ТА незалежно від їх температури Дослідження показали, що запропонований спосіб забезпечує підвищення точності вимірювання електрошкірного опору в 3-5 раз за рахунок виключення впливу, головним чином, корельованих шумів підсилювачів і нерівномірності температури шкіри, особливо шкіри КІНЦІВОК Повторювач напруги і перетворювач струму в напругу побудовані на малошумлячих польових транзисторах, наприклад, КП307Г, а низькоомний вхід перетворювача струму в напругу забезпечений паралельним від'ємним зворотним зв'язком малошумлячого широкосмугового операційного підсилювача, наприклад, 1407УД1 Перемножувач виконаний на мікросхемі типа КМ525ПСЗА, а автоматичний перемикач - на КР590КН4 Аналого-цифровий перетворювач інтегруючого типу реалізований на мікросхемі КР572ПВ2, а мікро-ЕВМ, наприклад, на КМ1816ВЕ48, а цифровий індикатор на мікросхемах 514ИД1 і АЛ304А Смугові підсилювачі виконані у вигляді фільтрів Баттервотра другого порядку із смугою пропускання Ат=100кГц в діапазоні частот 150-250кГц Електошкірний опір досліджувався в діапазоні значень від ЮкОм до 200кОм Фіг. Комп'ютерна верстка Л Литвиненко Підписне Тираж 28 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 - 4 2 , 01601