Спосіб вимірювання біофізичних параметрів шкіри в точках акупунктури

1. Спосіб вимірювання біофізичних параметрів шкіри в точках акупунктури, при якому накладають на точку акупунктури вимірювальний електрод та поза нею - опорний, знімають відносно нього шумову напругу, розщеплюють її на дві протифазні, підсилюють їх в смузі частот теплових флуктуацій, перемножують, формують постійну складову напруги та вимірюють електрошкірний опір, який відрізняється тим, що після зняття шумової напруги між електродами її вводять у вимірювальне плече мостової схеми з регульованими опорами в плечі порівняння та в плечах відношення, періодично замикають одну з діагоналей мостової схеми, знімають з іншої діагоналі мостової схеми почергово дві шумові напруги, після формування з них постійних складових напруг, порівнюють їх між собою, приводять до нуля різницю їх зміною опорів плечей мостової схеми, а електрошкірний опір R1 визначають за формулою: R R1 = R2 4 , R3 де R2 - опір змінного резистора плеча порівняння; R3 та R4 - опір змінних резисторів та плечей відношення. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що додатково вимірюють значення напруги в момент рівності постійних складових та визначають локальну температуру Т1 точки акупунктури за формулою: Корисна модель відноситься до медичної техніки і може бути використана для діагностики стану організму людини та тварин за значенням біофізичних параметрів в точках акупунктури. Найважливішим біофізичними параметрами шкіри в точках акупунктури (ТА) є їх електричний опір та локальна температура [див. Березовський В.А., Копотилов Н.Н., Биофизические характеристики тканей человека. - К.: Наукова думка, 1990. С.11-30]. Вимірювання цих параметрів в більшості випадків засновано на прикладенні зовнішньої електричної напруги до ТА, що негативно впливає на тканини ТА, а також на зв'язані з ТА внутрішні органи [див. Загрядский В.А., Злоказов В.П. Метрология и электробезопасность при пунктурной электродиагностике // Известия Таганрогского радиотехнического университета - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1998. - С.68-71]. Однак джерелом інформації про значення біофізичних параметрів ТА без прикладення зовнішньої напруги можуть бути внутрішні електричні шуми теплового характеру, рі вень яких визначається опором та температурою тканин ТА [див. Скрипник Ю.О., Холоденко В.М. Система контролю електрофізіологічного стану біологічно активних точок // Вісник КНУТД. - 2004. №4. - С.9-15]. Відомий спосіб вимірювання біофізичних параметрів шкіри в точках акупунктури [див. патент України №61753А, МПК7 А61В5/05, 2003], який включає накладення на ТА вимірювального та поза нею опорного електродів, розщеплення шумової напруги на дві протифазні напруги, одну з яких почергово з низькою частотою комутації перемножують з другою підсиленою напругою, виділяють з перемножених напруг низькочастотну напругу частоти перемикань, яку вибірково підсилюють, випрямляють та вимірюють постійну складову напруги, за якою обчислюють опір ТА. Однак у відомому способі неможливо окремо вимірювати опір та температуру ТА, так як отримана за цим способом постійна напруга пропорційна добутку опору ТА на її температуру. Тому (R3 + R 4 )2 U0 (19) UA (11) 33006 (13) , R2R3R4 SH де U0 - запам'ятована напруга в момент досягнення рівності напруг, що порівнюються; SH - нормована крутизна перетворення температури в постійну напругу. U T1 = 3 виникають великі похибки при оцінці опору від неконтрольованих змінах температури та навпаки. Відомий також спосіб вимірювання біофізичних параметрів шкіри в точках акупунктури [див. патент України №6650, МПК А61В5/05, 2005р.], при якому накладають на точку акупунктури вимірювальний електрод та поза нею - опорний, знімають відносно нього шумову напругу, розщеплюють її на дві протифазні, підсилюють їх в смузі частот теплових флуктуацій, перемножують, формують постійну складову напруги та вимірюють електрошкірний опір. Крім того відомий спосіб включає операції знімання з вимірювального електроду напруги перетворювачем напруги з високим вхідним опором та шумового струму перетворювачем струму в напругу з низьким вхідним опором, а також формування цифрових кодів, пропорційних шумовій напрузі та шумовому струму, з наступним діленням одного коду на інший. Завдяки вказаним операціям виключається вплив температури ТА на її опір. Однак, при цьому повністю втрачається інформація о температурі ТА. Тому відомий спосіб забезпечує отримання інформації тільки про опір ТА, тобто тільки про один з біофізичних параметрів ТА. В основу корисної моделі поставлена задача створити такий спосіб вимірювання біофізичних параметрів шкіри в точках акупунктури, в якому введення нових операцій по перетворенню шумової напруги та обчислення інформативних параметрів теплових шумів за новими формулами забезпечилось би окреме та незалежне вимірювання двох біофізичних параметрів (опору та температури) в кожній ТА без прикладення зовнішньої напруги та з високою точністю, що забезпечить підвищення достовірності діагностики стану організму людини та тварин. Поставлена задача вирішується тим, що в спосіб вимірювання біофізичних параметрів шкіри в точках акупунктури, при якому накладають на точку акупунктури вимірювальний електрод та поза нею - опорний, знімають відносно нього шумову напругу, розщеплюють її на дві протифазні, підсилюють їх в смузі частот теплових флуктуацій, перемножують, формують постійну складову напруги та вимірюють електрошкірний опір, згідно корисної моделі, після зняття шумової напруги між електродами її вводять у вимірювальне плече мостової схеми з регульованими опорами в плечі порівняння та в плечах відношення, періодично замикають одну з діагоналей мостової схеми, знімають з іншої діагоналі мостової схеми почергово дві шумові напруги, після формування з них постійних складових напруг, порівнюють їх між собою, призводять до нуля різницю їх зміною опорів плечей мостової схеми, а електрошкірний опір R1 визначають за формулою: R R1 = R2 4 R3 де R2 - опір змінного резистора плеча порівняння; R3 та R 4 - опір змінних резисторів та плечей відношення. 33006 4 Доцільно, додатково виміряти значення напруги в момент рівності постійних складових та визначити локальну температуру Т1 точки акупунктури за формулою: T1 = (R3 + R4 )2 U0 , R2R3R4 SH U0 - запам'ятована напруга в момент досягнення рівності напруг, що порівнюються; SH - нормована крутизна перетворення температури в постійну напругу. Саме введення шумової напруги електродів спочатку в вимірювальне плече мостової схеми з регульованими опорами в інших плечах забезпечує масштабне перетворення інформативних параметрів напруги теплових флуктуацій. Періодичне замикання одної з діагоналей мостової схеми викликає появу в іншій діагоналі мостової схеми почергово в часі двох шумових напруг різної інтенсивності, які регулюються опорами плечей мостової схеми. Наступне розщеплення шумової напруги на дві протифазні напруги, підсилення їх в смузі частот теплових флуктуацій та перемноження підсилених напруг дає можливість подавити власні шуми, які сумірні до підсилених напруг. Часове розділення почергово перемножених напруг, їх усереднення та запам'ятовування постійних складових цих напруг дає можливість безперервно їх порівнювати. Приведення різницевої напруги до нуля шляхом регулювання опорів плечей мостової схем дозволяє встановити однозначний зв'язок між опором ТА та значенням опорів плечей мостової схеми, що забезпечує високоточне вимірювання електричного опору незалежно від рівня шумової напруги ТА, а відповідно, й температури ТА. Вимірювання порівнюваних напруг в момент їх рівності забезпечує можливість визначення температури ТА незалежно від її опору шляхом заміни невідомого опору ТА на її еквівалент з опорів плечей мостової схеми. Завдяки новим операціям забезпечується більш достовірна діагностика стану організму людини та тварин за двома біофізичними параметрами ТА (опору та температури). На кресленні зображена електрична схема конкретної реалізації запропонованого способу. В схемі позицією 1 позначений шкіряний покров біологічного об'єкту, вимірювальний електрод 2, яким торкаються ТА, опорний електрод 3, який розміщують поза ТА, змінний резистор 4 плеча порівняння, змінні резистори 5 та 6 плечей відношення чотириплечової мостової схеми, автоматичний ключ 7, диференційний розщеплювач напруги 8, підсилювачі змінних напруг 9 та 10, перемножувач 11, згладжуючі резистори 12 та 13, автоматичні ключі 14 та 15, накопичувальні конденсатори 16 та 17, мілівольтметр 18, нульіндикатор 19 та мультивібратор 20. Електроди 2 та 3 ввімкнені у вимірювальне плече мостової схеми, в плече порівняння якої включений змінний резистор 4, а в плечі відношення змінні резистори 5 та 6. Автоматичний ключ 7 ввімкнений в одну діагональ мостової схеми, а диференційний розщеплювач напруги 8 підключений до іншої діагоналі. До протифазних виходів диференційного розщеплювача підключені входа 5 ми підсилювачі змінних напруг 9 та 10, виходи яких з'єднані зі входами перемножувача 11. Вихід перемножувача 11 через згладжуючі резистори 12 та 13 та автоматичні ключі 14 та 15 з'єднаний з накопичувальними конденсаторами 16 та 17. Паралельно згладжуючим резисторам 12 і 13 та накопичувальним конденсаторам 16 і 17 підключений мілівольтметр 18, а між накопичувальними конденсаторами 16 і 17 включений нуль-індикатор 19. Автоматичні ключі 76 14 та 15 керуються мультивібратором 20 через прямий та інверсний виходи. Запропонований спосіб здійснюється наступним чином. На шкіряному покрові біологічного об'єкту 1 досліджуваного організму розміщують вимірювальний електрод 2 з малою площею контакту в обраній ТА і зовні її опорний електрод 3 з великою площею контакта. У шкіряному покрові, як у будьякому фізичному середовищі, є теплові флуктуації елементарних носіїв електричних зарядів (електронів, іонів чи диполів), які обумовлюють тепловий шум. Середнє значення шумової напруги, яка знімається електродами 2 і 3, дорівнює нулю. Але середній квадрат шумової напруги (дисперсія) завжди більше нуля та у відповідності до формули Найквіста визначається як 2 U1 = 4kT1DfR1 , (1) де k - стала Больцмана; Т1 - термодинамічна температура середовища, яке генерує шум; ∆f - смуга частот, в якій вимірюється дисперсія шумової напруги; R1 - електричний опір середовища між електродами 2 та 3. Опір в точках контакту електродів 2 та 3 визначається питомим опором шкіри та площею контакту. Так як площа опорного електрода 3 набагато більше аналогічної площі вимірювального електроду 2, то найбільший внесок в напругу (1) вносить опір ТА. При цьому слід врахувати, що опір внутрішніх прилеглих до шкіри тканин незначний порівняно з електрошкіряним опором. Тому дисперсія шумової напруги пропорційна опору та температурі ТА, яка досліджується. При розімкненому автоматичному ключі 7 через плечі мостової схеми йде шумовий струм, середнє квадратичне значення якого 2 U1 , (2) R1 + R2 + R3 + R4 де R2 - опір змінного резистора 4 плеча порівняння; R3 та R4 - опір змінних резисторів 5 та 6 плечей відношення. На входи диференційного розщеплювача 8 діє симетричне відносно загальної землі падіння напруги від струму (2) на резисторах 4 та 5: I1 = 2 R2 + R3 U1 , (3) R1 + R2 + R3 + R4 Крім шумової напруги (3) на входи диференційного розщеплювача 8 діє напруги власних шумів змінних резисторів 4 та 5. Диференційний розщеплювач 8 має внутрішні шуми теплового та U2 = 33006 6 дробового характеру. Тому вихідні відносно загальної землі протифазні напруги розщеплювача представляють собою адитивну суміш теплових напруг від різних джерел. Так як шуми різних джерел між собою не корельовані, то розщеплені напруги можна представити у вигляді середньоквадратичної суми шумових напруг, які мають різні полярності: ' 2 2 2 U3 = k1 U2 + U31 + U41 , (4) '' 2 2 2 U3 = -k 2 U2 + U31 + U41 , (5) де k1=k2 - коефіцієнти передач каналів диференційного розщеплювача; 2 U31 - дисперсія шумової напруги теплових шумів змінних резисторів 4 та 5; 2 U41 - дисперсія власних шумів диференційного розщеплювана 8. Шумові напруги (4) та (5) підсилюються підсилювачами 9 та 10 змінних напруг в смузі частот ∆f Підсилені напруги перемножуються між собою у перемножувачі 11. В результаті перемноження корельованих складових шумових напруг (4) та (5), які формуються з одних й тих самих джерел, виникає постійна складова шумової напруги. При цьому слід врахувати, що власні шуми підсилювачів 9 та 10 між собою не корельовані, тому не роблять внеску в постійну складову вихідної напруги перемножувача 11 2 2 ö 2 2 æ 2 U4 = k1 k3 S1ç U2 + U31 + U41 ÷ , (6) è ø де k3=k4 - коефіцієнти підсилення підсилювачів 9 та 10 змінних напруг; S1 - крутизна перетворення перемножувача 11. Виділення постійної складової із добутку шумових напруг здійснюється інтегруючим ланцюгом, який складається зі згладжуючого резистора 12 та накопичувального конденсатора 16, які з'єднані замкненим ключем 14. З урахуванням коефіцієнта передачі інтегруючого ланцюга напруга накопичувального конденсатора 16, який заряджається, 2 2 ö æ 2 2 U5 = k1 k2S1k5 ç U2 + U31 + U41 ÷ , (7) 3 è ø де k5 - коефіцієнт передачі інтегруючого ланцюга зі згладжуючого резистора 12 та накопичувального конденсатора 16. При перемиканні мультивібратора 20 в протилежний стан ключі 7 та 15 замикаються, а ключ 14 розмикається. В результаті замикання діагоналі моста ключем 7 через резистори 5 та 6 плечей відношення перестає проходити шумовий струм, який генерується ТА, що досліджується. У той же час зростає шумовий струм через змінний резистор 4 плеча порівняння мостової схеми до значення 2 U1 I2 = , (8) R1 + R2 На входи диференційного розщеплювача 8 починає впливати падіння напруги від шумового 7 33006 струму (8) на резисторі 4 плеча порівняння мостової схеми: 2 R2 U1 , (9) R1 + R 2 При цьому на входи розщеплювача 8 продовжують впливати напруги власних теплових шумів резисторів 4 та 5. Через підключення резистора 6 паралельно резистору 5 дещо змінюється рівень як вхідних шумів диференційного розщеплювача 8, так і рівень його внутрішніх шумів. Тому напруга на виході диференційного розщеплювача 8 аналогічно виразам (4) і (5), та її можна представити у вигляді дещо змінених середньоквадратичних сум: U6 = ' 2 2 2 U7 = k1 U6 + U32 + U42 , (10) '' 2 2 2 U7 = -k 2 U6 + U32 + U42 , (11) 2 де U32 - дисперсія шумової напруги від теплових шумів резисторів 4, 5 та 6; 2 U42 - дисперсія власних шумів диференційного розщеплювача 8 при паралельному підключенні резистора 6 до резистора 5. Після підсилення шумових напруг (10) та (11) підсилювачами 9 і 10 та наступного їх перемноження у перемножувачі 11 формується постійна складова напруги 2 2 ö æ 2 2 U8 = k1 k2S1k5 ç U6 + U32 + U42 ÷ , (12) 3 è ø Напруга (12) через замкнений контакт автоматичного ключа 15 заряджає накопичувальний конденсатор 17 через зглаждуючий резистор 13 та запам'ятовується ним. Запам'ятовані накопичувальними конденсаторами 16 та 17 напруги порівнюються за допомогою нуль-індикатора 19, який включений між потенціальними електродами цих конденсаторів. При періодичному перемиканні автоматичних ключів 14 та 15 мультивібратором 20 через нуль-індикатор 19 буде проходити постійний порівняльний струм, пропорційний різниці порівнюваних напруг ∆I=S2(U5-U8), (13) де S2 - крутизна перетворення різницевої напруги в струм, яка визначається частотою перемикання автоматичних ключів 14 і 15 та параметрами інтегруючих ланцюгів. Різницю напруг, які порівнюються, зводять до нуля шляхом зміни плеча порівняння та змінами співвідношення опорів 5 та 6 плечей відношення мостової схеми. При зрівнюванні напруг, що порівнюються (U5=U8) у відповідності з (7) та (12) отримуємо рівність: 2 2 2 2 2 2 U2 + U31 + U41 = U6 + U32 + U42 , (14) При аналізі рівності (14) слід врахувати, що для вимірювання високоомного електрошкіряного опору ТА слід використовувати низькоомні резистори 4 та 5 з низьким рівнем власних шумів, а для забезпечення високої чутливості мостової схеми резистор 6 має бути високоомний. В цьому випадку паралельне підключення високоомного резистора 6 низькоомному 5 суттєво не змінить рівень результуючого шуму. Тому можна вважати, що 8 2 2 2 2 U31 » U32 , (15) З цих міркувань можна вважати, що і рівень шумової напруги від шумового струму зміниться незначно, тобто U41 » U42 , (16) З урахуванням співвідношень (15) та (16) можна вважати, що має місце рівність дисперсій шумових напруг: 2 2 U2 = U6 , (17) 2 2 Підставляючи в (17) значення U2 з (3) та U6 з (9), отримуємо R2 + R3 R2 , (18) = R1 + R2 + R3 + R4 R1 + R2 Розв'язав рівняння (18) відносно опору R1 ТА, отримаємо R R1 = R2 4 , (19) R3 З рівняння (19) слідує, що опір ТА можна визначити по опору R2 плеча порівняння мостової схеми з урахуванням відношення опорів R4/R3 її плечей відношення незалежно від рівня теплових шумів ТА, а відповідно її температури. Для визначення температури Т 1 ТА вимірюють запам'ятовані напруги U5 та U8 мілівольтметром 18. В момент досягнення рівності (19) запам'ятовані накопичувальними конденсаторами 16 та 17 напруги рівні 2 2 ö æ 2 2 2 U0 = U5 = U8 = k1 k3 S1k5 ç U2 + U31 + U41 ÷ , (20) è ø Дисперсія шумової напруги ТА з високим опором більше дисперсії шумової напруги резисторів з низьким опором мостової схеми 2 2 2 ö æ ç U2 >> U31 + U41 ÷ . Тому можна вважати è ø U 0 » k 2 1 k 2 3 S 1k 5 U 2 2 , (21) Підставляючи в (21) значення дисперсії шумо2 вої напруги U 2 з виразу (3), отримаємо æ R2 + R3 U0 = SH ç çR + R +R +R 2 3 4 è 1 2 ö ÷ R1T1 , (22) ÷ ø 2 де SH = 4kk1 k2 S1k5 Df - нормована крутизна 3 перетворення температури T1 в постійну напругу U0 [В/(К*Ом)]. Розв'язав рівняння (22) відносно температури ТА з урахуванням відношення (19), отримаємо розрахункову формулу для визначення її температури: T1 = (R3 + R4 )2 U0 R2R3R4 SH 1 , (23) З рівняння (23) виходить, що температуру T1 ТА можна визначити за напругою U0, яка вимірюється, та опору резисторів мостової схеми R2, R3 та R4 при досягненні нульового значення нульіндикатора 19 незалежно від значення електрошкіряного опору R1. 9 33006 Для виключення впливу власних шумів схеми порівняння на результат вимірювання проводять попереднє калібрування мостової схеми. Для цього закорочують вимірювальне плече мостової схеми шляхом з'єднання електродів 2 та 3 між собою. Зміною згладжуючого опору резистора 13 встановлюють нульове показання нуль-індикатора 19. В цьому випадку зрівнюються дії власних шумів (16) та (17) резисторів мостової схеми і диференційного розщеплювача 8 та виключається тим самим похибка порівняння, що підвищує точність вимірювання Т1і R1. Таким чином, використання запропонованого способу вимірювання біофізичних параметрів шкіри в точках акупунктури дозволяє: Комп’ютерна верстка О. Рябко 10 - здійснювати незалежні вимірювання електричного опору R1 шкіри та локальної температури Т1 у кожній з обраних точок акупунктури; - покращити точнісні характеристики способу за рахунок виключення впливу несталості коефіцієнтів перетворення елементів схеми (k1, k2, k3, k4, k5 та S) на результат вимірювання електрошкіряного опору R1; - підвищити достовірність знаходження кореляції між змінами опору R1 та температури Т1, так як обидва біофізичні параметри визначаються за одним й тим же шумовим сигналом, який знятий з однієї ТА; - повністю виключити зовнішній електричний вплив на ТА при визначенні їх параметрів та підвищити тим самим безпеку при діагностиці та лікуванні. 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