Пристрій для електрофізіологічних досліджень біооб’єктів

Пристрій для електрофізіологічних досліджень біооб'єктів, що містить два вимірювальних і опорний електроди, з'єднані із загальною заземленою шиною, повторювач напруги, вхід якого з'єднаний із виходом одного вимірювального електрода, фазорозщеплюючий каскад, вхід якого з'єднаний з виходом іншого вимірювального електрода, а протифазні виходи з'єднані із входами автоматичного перемикача, послідовно з'єднані синхронний дете 3 19353 4 людини із міркувань безпеки і дотримання саніталювач низької частоти, послідовно з'єднані між рних норм. Крім того, антенний прийом опроміненсобою та підключені до виходу змішувача частоти, ня біооб'єкта не дозволяє реєструвати біоструми причому підсилювач низької частоти з'єднаний з на частотах менше 50-100МГц. синхронним детектором, та диференціальний підОднак всі відомі пристрої дозволяють оцінити силювач, прямий вхід якого з'єднаний з виходом тільки інтенсивність біострумів як детермінованих, повторювача напруги, інверсний вхід з'єднаний з так і випадкових (шумових). Виявити ступінь зв'язвиходом автоматичного перемикача, а вихід з'єдку між електричними сигналами, що знімають із наний із входом підсилювача високої частоти. різних БАТ, за допомогою цих пристроїв важко. Саме введення в схему пристрою приймача Тому важко судити про порушення роботи інфорамплітудно-модульованих сигналів у складі підсимаційної системи живого організму, в основі якої лювача високої частоти, змішувача частоти, перележить властивість когерентності й синхронності налагоджуваного по частоті гетеродина, вузькосрізних джерел електричних коливань. мугового підсилювача проміжної частоти, Відомий також пристрій для електрофізіологіквадратичного детектора й підсилювача низької чних досліджень біооб'єктів [див. Патент України частоти, з'єднаних зазначеним чином, а також дина корисну модель №7866, МПК G01N33/483, Бюл. ференціального підсилювача із прямим й інверс№7, 2005р], що містить два вимірювальних і опорним входами, які з'єднані з вимірювальними елекний електроди, з'єднані із загальною заземленою тродами через повторювач напруги та шиною, повторювач напруги, вхід якого з'єднаний фазорозщеплюючий каскад, й автоматичного пеіз виходом одного вимірювального електрода, фаремикача, підключення до виходу приймача через зорозщеплюючий каскад, вхід якого з'єднаний з синхронний детектор і фільтр нижніх частот виходом іншого вимірювального електрода, а провольтметра дозволяє із загального спектра шумів тифазні виходи з'єднані із входами автоматичного виділити вузькі смуги шумових сигналів, які відпоперемикача, послідовно з'єднані синхронний детевідають частоті настроювання гетеродина прийктор, фільтр нижніх частот і вольтметр, генератор мача, і визначити корельовану частину шумів на низької частоти, з'єднаний з керуючими входами обраній ділянці частотної характеристики біоструавтоматичного перемикача й синхронного детекмів без впливу сусідніх ділянок спектра, що забезтора. печить можливість ідентифікувати характер зв'язку Крім того, відомий пристрій містить два висоБАТ з тим або іншим внутрішнім органом по частокочастотних підсилювачі, виходи яких з'єднані із тному відгуку. входами перемножувача напруг, до виходу якого На кресленні представлена функціональна підключений перший фільтр нижніх частот. схема пристрою для електрофізіологічних досліЗавдяки застосуванню перемножувача напруг джень біооб'єктів. визначається коефіцієнт взаємної кореляції цих Кореляційний пристрій містить вимірювальні напруг, що дозволяє оцінювати тісноту електричелектроди 1 й 2, з'єднані із вхідними пристроями 3 них зв'язків різних БАТ. Однак, виявити в якому й 4. Вхідний пристрій 3 виконаний за схемою почастотному діапазоні проявляється цей зв'язок вторювача напруги та з'єднаний із виходом вимінеможливо. Це обмежує функціональні можливосрювального електроду 1, а вхідний пристрій 4 - за ті відомого пристрою. схемою фазорозщеплюючого каскаду, вхід якого В основу корисної моделі покладена задача з'єднаний з виходом вимірювального електроду 2, створити такий пристрій для електрофізіологічних а протифазні виходи з'єднані із входами автомадосліджень біооб'єктів, в якому введення нових тичного перемикача. Вихід автоматичного перемиелементів і їх зв'язків дозволило б одержувати кача з'єднаний з інверсним входом диференціальінформацію про ступінь кореляції біологічних шуного підсилювача, прямий вхід якого підключений мових сигналів на різних ділянках частотної харакдо виходу повторювача напруги 3. До виходу дитеристики біооб'єкта, що забезпечить можливість ференціального підсилювача 6 підключений переідентифікувати характер зв'язку біологічно активналагоджуваний по частоті приймач 7 амплітудноних точок з тим чи іншим внутрішнім органом. модульованих сигналів, що включає в себе підсиПоставлена задача досягається тим, що в лювач 8 високої частоти, змішувач частоти 9, пепристрої для електрофізіологічних досліджень реналагоджуваний по частоті гетеродин 10, вузьбіооб'єктів, який містить два вимірювальних і опокосмуговий підсилювач 11 проміжної частоти, рний електроди, з'єднані із загальною заземленою квадратичний детектор 12 і підсилювач 13 низької шиною, повторювач напруги, вхід якого з'єднаний частоти. До виходу приймача 7 амплітудноіз виходом одного вимірювального електрода, фамодульованих сигналів через синхронний детектор зорозщеплюючий каскад, вхід якого з'єднаний з 14 і фільтр 15 нижніх частот підключений вольтвиходом іншого вимірювального електрода, а прометр 16. Генератор 17 низької частоти з'єднаний з тифазні виходи з'єднані із входами автоматичного керуючими входами автоматичного перемикача 5 перемикача, послідовно з'єднані синхронний детета синхронного детектора 14. Загальна шина 18 ктор, фільтр нижніх частот і вольтметр, генератор схеми пристрою заземлена й з'єднана з опорним низької частоти, з'єднаний з керуючими входами електродом 19. автоматичного перемикача й синхронного детекПозицією 20 позначено досліджуваний біологітора, згідно з корисною моделлю, у нього введені чний об'єкт. підсилювач високої частоти, переналагоджуваний Пристрій для електрофізіологічних досліджень по частоті гетеродин, змішувач частоти, зі входами працює наступним чином. якого вони з'єднані, вузькосмуговий підсилювач Вимірювальні електроди 1 й 2 приводять до проміжної частоти, квадратичний детектор і підсиконтакту з біологічно активними точками (БАТ) 5 19353 6 обстежуваного пацієнта. Опорний електрод 19, (4) U2 " UТ2 UБ2 . виконаний у вигляді знімного затискача, з'єднують із рукою або ногою залежно від розташування й При верхньому положенні автоматичного петраєкторії досліджуваного меридіана, а сам опорремикача 5 на виході диференціального підсилюний електрод 19 підключають до загальної заземвача 6 формується різницева напруга леної шини 18. На виходах вхідних пристроїв 3 й 4 U3 ' K1 U1 U2 ' UП K1 UT1 UБ1 UТ 2 UБ2 UП , (5) повторюються напруги сигналів, що знімають із БАТ відносно заземленого опорного електрода 19. У кожній БАТ діють флуктуаційні струми й наде UП - напруга власних шумів диференціапруги, обумовлені тепловим рухом носіїв електрики (електронів й іонів). Флуктуаційні струми БАТ льного підсилювача 6; створюють шумову напругу, середній квадрат якої K1 - коефіцієнт підсилення диференціального визначається формулою Найквіста: підсилювача 6. У нижньому положенні автоматичного переми(1) UT2 4kT fR , кача 5 на виході диференціального підсилювача 6 формується фактично сумарна напруга де UT 2 - дисперсія (середній квадрат) теплоU3 " K1 U1 U2 " UП K1 UT1 UБ1 UТ 2 UБ2 UП . (6) вих шумів; k - постійна Больцмана; Т - термодинамічна температура; f - смуга частот, у якій вимірюються спектральні складові теплового шуму; R - електричний опір БАТ. За своїм характером тепловий шум є білим шумом з рівномірною спектральною щільністю в широкому діапазоні частот. Крім рівноважного теплового шуму в БАТ присутній і нерівноважний біологічний шум, обумовлений випадковою сукупністю одиничних електрофізіологічних реакцій (відкривання-закривання іонних каналів, заряд-розряд клітинних мембран, переходи нейтронів з активного стану в пасивний й т.п.). За своїм характером біологічний шум є вузькосмуговим (кольоровим), спектральна щільність якого близька до розподілу фліккер-шуму. Із врахуванням сказаного, шумові сигнали, що знімають вимірювальними електродами 1 й 2, являють собою адитивну суміш теплового широкосмугового шуму й вузькосмугового біологічного шуму. Останній властивий тільки живим організмам. Для оцінки спектрального розподілу біологічного шуму сумарні шумові сигнали подають на входи диференціального підсилювача 6. При цьому напруга вимірювального електрода 1 через повторювач напруги 3 надходить безпосередньо на один із входів диференціального підсилювача 6. Напруга вимірювального електрода 2 попередньо розщеплюється на дві різнополярні шумові напруги, які автоматичним перемикачем 5 по черзі подаються на інший вхід диференціального підсилювача 6. Якщо напруга теплового шуму UT(t) й напруга біологічного шуму UБ(t) представити в комплексному вигляді UT і UБ m U T2 U Б2 (2) U1 UТ1 UБ1 . На інверсний вхід диференціального підсилювача 6 по черзі через автоматичний перемикач 5 надходять різнополярні комплексні напруги вимірювального електрода 2: (3) (7) U T1 U Б1 U П Модульована шумова напруга надходить на приймач 7 амплітудно-модульованих сигналів, де підсилюється в підсилювачі 8 високої частоти й змішується в змішувачі частоти 9 з гармонійною напругою переналагоджуваного по частоті гетеродина 10, частота якого регулюється в діапазоні аналізованих смуг спектра шумової напруги. При частоті 1, в смугу пропускання підсилювача 11 проміжної частоти потрапляють складові шумового спектра із частотами (8) 2 = 1 ± П. де П - різницева (проміжна) частота приймача 7. Підсилена в смузі частот П підсилювача 11 проміжної частоти шумова модульована напруга надходить на квадратичний детектор 12. У результаті квадратування миттєвих значень пакетів шумової напруги і їхнього усереднення фільтром детектора формується тимчасова послідовність відеоімпульсів з амплітудами 2 U4 ' K 2 S2 K 2 2 1 3 U3 ' , то на прямий вхід диферен ціального підсилювача 6 впливає сума комплексних напруг U2 ' UТ2 UБ2 , Автоматичний режим перемикача 5 забезпечує генератор 17 низької частоти. Завдяки цьому на виході диференціального підсилювача 6 формується як би неперервна напруга, що складається з пакетів напруг (5) і (6), що йдуть із низькою частотою перемикань. Оскільки сумарна напруга не дорівнює різницевій, то безперервна пакетна напруга являє собою модульовану по амплітуді напругу з коефіцієнтом модуляції U52 , (9) 2 U4 " K 2 S2 K 2 2 1 3 U3 " U52 , (10) де К2 - коефіцієнт підсилення підсилювача 8 високої частоти; S1 - крутизна перетворення змішувача частоти 9; K3 - коефіцієнт підсилення підсилювача 11 проміжної частоти; U5 - напруга переналагоджуваного по частоті гетеродина 10. 7 19353 тому При піднесенні до квадрату напруг U3 ' й U3 " , які являють собою алгебраїчну суму комплексних напруг (5) і (6), варто врахувати наступне. Теплові шуми з різних БАТ по своїм статистичним властивостям між собою не корельовані. Отже, їхній усереднений добуток (11) UT1 UT 2 0 . Не корельовані між собою тепловий і біологічний шуми як об'єкти різної статистичної природи, а (12) UT UБ 0 . Корельовані між собою тільки біологічні шуми з різних БАТ, причому ступінь кореляції визначається коефіцієнтом взаємної кореляції. Виходячи із цих міркувань амплітуди відеоімпульсів (9) і (10) з урахуванням співвідношень (5) і (6) будуть мати вигляд 2 U4 ' K2K2K2S2U5 UT12 UT22 UБ12 UБ22 Un2 2 1 2 3 1 2 U4 " K2K2K2S2U5 UT12 UT22 UБ12 UБ22 Un2 2 1 2 3 1 де - коефіцієнт взаємної кореляції біошумів на частоті гетеродина 10; UT12 , UT22 - дисперсія теплових шумів у смузі проміжних частот П; UБ12 , UБ22 - дисперсія біологічних шумів у тій же смузі; UБ1 , UБ2 - середньоквадратичні напруги біошумів. Підсилювачем 13 низької частоти з часової послідовності відеоімпульсів (13) і (14) виділяється й підсилюється напруга низькочастотної огинаючої U " U4 ' U5 K 4 4 sin g sin 2 Ft , (15) 2 де K4 - коефіцієнт підсилення підсилювача 13 низької частоти; F - частота генератора 17 низької частоти; Signsin2 Ft - прямокутна огинаюча відеоімпульсів. Низькочастотна напруга (15) випрямляється синхронним детектором 14, що управляється разом з автоматичним перемикачем 5 тим самим генератором 17 низької частоти. Випрямлена напруга через фільтр 15 нижніх частот, у якому придушуються шуми квадратичного детектора 12 і промислові перешкоди, реєструється вольтметром 16. Випрямлена напруга з урахуванням значень напруг (13) і (14) U6 2 2K2K2K2K4K5S2S2U5 UБ1 UБ2 , 1 2 3 1 (16) де S2 - крутизна перетворення синхронного детектора 14; К5 - коефіцієнт передачі фільтра 15 нижніх частот. Перебудовуючи частоту гетеродина 10, реєструють вихідну напругу, що пропорційна корельованій частині біологічних шумів у смузі частот, що задається переналагоджуваним по частоті гетеродином 10. Результат частотного аналізу можна представити у вигляді 8 UБ12 UБ22 , UБ12 UБ22 , (13) (14) (17) UБ1 UБ2 , де K 2K2K2K2K4K5S2S2U2 - результуючий 5 1 2 3 1 коефіцієнт перетворення; ( ) - коефіцієнт взаємної кореляції біологічних шумів на частоті настроювання приймача 7. Таким чином, за результатами вимірювань (17) можна одержати інформацію про ступінь кореляції біологічних шумів на різних ділянках частотної характеристики біооб'єкта. Проводячи такі вимірювання в різних БАТ пацієнта або іншого досліджуваного об'єкта, можна простежити зв'язок цих точок з тим або іншим внутрішнім органом й ідентифікувати характер цих зв'язків по величині частотного відгуку. Моделювання запропонованої схеми показало можливість реєстрації корегованої частини шумів на фоні переважаючих теплових шумів при використанні вузькосмугового приймача. У якості такого приймача може бути використаний стандартний радіоприймач із гетеродинним перетворенням частоти на діапазон 100кГц-20МГц і чутливістю по входу 5 - 10мкВ. Підключення до входу приймача диференціального підсилювача в інтегральному виконанні з коефіцієнтом підсилення 103 дозволяє підвищити чутливість усього кореляційного пристрою до 0,001-0,005мкВ при дисперсії власних шумів 10-6-10-7В/ Гц. При часі усереднення до 35с, що задається постійною часу вихідного фільтра нижніх частот, флуктуаційний поріг чутливості по потужності може бути знижений до 10-20-1021 Вт/Гц, що дозволяє виявляти зв'язок електричних процесів у двох обраних БАТ, починаючи зі значення коефіцієнта взаємної кореляції 0,05-0,10. Як показали дослідження коефіцієнт у людини в частотному діапазоні 50кГц-1МГц змінюється від 0,10 до 0,85 і показує зв'язок електрофізіологічних процесів у БАТ, розташованих на траєкторії одного енергетичного меридіана. Зв'язок БАТ різних енергетичних меридіанів слабкіше й коефіцієнт не перевищує значень 0,4-0,5. U7 K 9 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 19353 Підписне 10 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