Пристрій для електрофізіологічних досліджень біооб’єктів

Пристрій для електрофізіологічних досліджень біооб'єктів, що містить автоматичний перемикач, генератор низької частоти, вихід якого з'єднаний з керуючим входом автоматичного перемикача, підсилювач високої частоти, послідовно з'єднані підсилювач низької частоти, синхронний детектор, керуючий вхід якого з'єднаний з виходом генератора низької частоти, фільтр нижніх частот та вольтметр, який відрізняється тим, що в нього введені другий фільтр нижніх частот, перемножувач, другий підсилювач високої частоти, диферен ціальний розщеплювач, який містить два операційні підсилювачі, два розділові конденсатори, перемінний резистор, термостат і два поверхневі чи голчасті електроди, один із яких вимірювальний, з'єднаний з одним входом автоматичного перемикача, інший електрод опорний, з'єднаний через перемінний резистор, розміщений у термостаті, із другим входом автоматичного перемикача, вихід якого через перший розділовий конденсатор з'єднаний з входом першого операційного підсилювача диференціального розщеплювача, вхід другого операційного підсилювача з'єднаний через другий розділовий конденсатор з опорним електродом, операційні підсилювачі диференціального розщеплювача через перший та другий підсилювачі високої частоти з'єднані зі входами перемножувача, який виходом підключений до другого фільтру нижніх частот, вихід якого з'єднаний зі входом підсилювача низької частоти Винахід відноситься до техніки електрофізіологічних досліджень і може бути використаний в біологи, сільському господарстві і медицині для оцінки стану гомеостазу людини і тварин по інтенсивності високочастотних клітинних струмів чи організму коефіцієнту фізіологічної активності біооб'єкта Метаболічні процеси, що протікають у живих організмах, супроводжуються переносом електричних зарядів як усередині клітин, так і в міжклітинному просторі Поряд із клітинними біострумом у тканинах організму, як і в будь-якому фізичному ТІЛІ має місце тепловий хаотичний (броунівський) рух носив заряду (електронів, ІОНІВ, дірок, диполів і т п ), що знаходяться в тепловій рівновазі з молекулами речовини У результаті термодинамічної рівноваги в об'єкті будь-якої природи (живому і неживому) виникають теплові електричні флуктуації чи тепловий шум, інтенсивність якого пропорційна температурі речовини швидкості розмноження клітин Остання визначається значеннями електрофізичних параметрів клітин (концентрацією ІОНІВ усередині клітини чи на поверхні и мембрани, напруженістю електричного поля мембрани і т п ) і індивідуальними особливостями окремих органів і систем (рівнем концентрації водневих ІОНІВ у крові, нагромадженням молочної кислоти в різних м'язах, величиною електрошкіряного опору) Крім того на інтенсивність біострумів сильно впливають патологічні процеси в організмі, що знижують чи підвищують рівень зазначених параметрів щодо норми Таким чином, по інтенсивності біострумів можна оцінити функціонально-енергетичну систему біологічних об'єктів і стан гомеостазу живих організмів без проведення КЛІНІЧНИХ аналізів і ЗОВНІШНІХ діагностичних впливів Однак знайти і безпосередньо виміряти біоструми складно, тому що рівень потужності, що генерується клітинними струмами біооб'єкта, малий і складає 10 2 0 -10 1 6 Вт (сила КЛІТИННІ біоструми виникають тільки в живих організмах і їх інтенсивність пропорційна не тільки температурі біооб'єкта, але залежить і від швидкості протікання фізіологічних процесів, зокрема струму 10 -10 А), частотний діапазон струму простирається від нульової частоти (постійний струм) і низьких частот до високих і надвисоких частот, що робить біоструми важко розпізнаває 1П ft ю 00 о (О мими на тлі широкополосных електричних флуктуацій самого об'єкта і теплових шумів вимірювальної апаратури У науково-технічній літературі (див, наприклад, Макац В Г , Макац Д В , Нагуйчук В И , Макац Д В Функціонально-енергетична система біологічних об'єктів -Вінниця 2002, С18-21) описаний пристрій для електрофізіологічних досліджень біооб'єктів, що містить електропровідний ЗОВНІШНІЙ контур, що поєднує біологічну систему з електродами донором (ДЕ) і акцептором (АЕ) електронів, а також вимірник малих струмів Електроди ДЕ й АЕ за рахунок контактної різниці потенціалів індуцирують спрямований транспорт вільних енергоносіїв через досліджуваний об'єкт і ЗОВНІШНІЙ замкнутий контур між біологічно активними зонами (БАЗ) шкіри чи точками акупунктури (ТА) У якості АЕ використовуються попередньо покриті окисними плівками сплави на основі цинку, алюмінію чи магнію Електродами ДЕ служать метали чи сплави, що утворюють мало МІЦНІ ЧИ помірковано МІЦНІ окисли, а також графіт За вимірюваним значенням біоструму судять про енергетичну активність БАЗ і всього організму в цілому Однак постійна складова біоструму тільки частково відбиває інтенсивність фізіологічних процесів, що протікають у живому організмі, під впливом різних фізіологічних і психологічних факторів Відомий пристрій для електрофізіологічних досліджень біооб'єктів (див Патент України №19726, кл G01 N33/48, 1995, бюл №6, 1997), що містить джерела постійного і перемінного струмів і електроди, виконані знімними, з сім'ю непроникаючими голками і трьома проводами, один із проводів з'єднаний з центральною голкою і підключений до джерела електростимуляції змінним струмом, ІНШІ проводи з'єднані з іншими голками і підключені до джерела постійного струму, послідовно з котрим включено сім комутуючих навантажувальних резисторів, виходи усіх каналів виміру підключені до блоку АЦП і входам комутатора, вихід котрого з'єднаний із входом персонального комп'ютера У пристрої застосована електростимуляція змінним струмом частоти, що змінюється Однак реакція біооб'єкта на вплив виміряється у виді постійної складової біоструму, що обмежує інформаційну здатність і знижує результативність електрофізіологічних досліджень живих організмів Відомий також пристрій для електрофізіологічних досліджень біооб'єктів (див Патент України №28128, кл G01 N33/483, 1998, бюл №5, 2000), що містить автоматичний перемикач, генератор низької частоти, вихід якого з'єднаний з керуючим входом автоматичного перемикача, підсилювач високої частоти, послідовно з'єднані підсилювач низької частоти, синхронний детектор, керуючий вхід якого з'єднаний з виходом генератора низької частоти, фільтр нижніх частот та вольтметр Крім того відомий пристрій включає генератор надвисокочастотних коливань, що перебудовується по частоті, спрямований відгалужувач, змішувач, циркулятор і приймально-передавальну систему, підключену до одного входу циркулятора, до іншого входу якого підключений один з виходів 60815 змішувача, другий вихід якого через спрямований відгалужувач з'єднаний з генератором надвисокочастотних коливань Використання в схемі відомого пристрою імпульсного модулятора (ключа) дозволяє по черзі підсилювати і детектувати як власне випромінювання біооб'єкта, так і відбитий зондувальний сигнал, що дозволяє виділяти різницевий сигнал у виді низькочастотного огинаючого сигналу, амплітуда якого пропорційна тільки тієї частини електромагнітного випромінювання, що викликається біострумами живого організму Однак прийом електромагнітного випромінювання біооб'єкта антеною не дозволяє використовувати відомий пристрій на частотах менше 50-100МГц, тому що випромінювальна здатність поверхні тіла пропорційна квадрату частоти електричних струмів і тому максимальна в діапазоні надвисоких частот Крім того опромінення ряду біооб'єктів і живих організмів ЗОВНІШНІМ електромагнітним випромінюванням небажано з розумінь безпеки і дотримання санітарних норм В основу винаходу покладена задача створення такого пристрою для електрофізіологічних досліджень біооб'єктів, у якому введення нових елементів і зв'язків забезпечило б одержання інформації про інтенсивність біострумів на тлі власних шумів і перешкод у діапазоні середніх і високих частот, що підвищить інформаційну здатність, безпеку і точність виміру інтенсивності клітинних біострумів, а також дозволить визначити коефіцієнт фізіологічної активності живих організмів на різних енергетичних меридіанах Поставлена задача досягається тим, що в пристрій для електрофізіологічних досліджень біооб'єктів, що містить автоматичний перемикач, генератор низької частоти, вихід якого з'єднаний з керуючим входом автоматичного перемикача, підсилювач високої частоти, послідовно з'єднані підсилювач низької частоти, синхронний детектор, керуючий вхід якого з'єднаний з виходом генератора низької частоти, фільтр нижніх частот та вольтметр, згідно з винаходом, введений другий фільтр нижніх частот, перемножувач, другий підсилювач високої частоти, диференціальний розщеплювач, який містить два операційні підсилювачі, два розділових конденсатори, перемінний резистор, термостат і два поверхневих чи голчастих електроди, один із яких вимірювальний з'єднаний з одним входом автоматичного перемикача, інший електрод опорний з'єднаний через перемінний резистор, розміщений у термостаті, із другим входом автоматичного перемикача, вихід якого через перший розділовий конденсатор з'єднаний з входом першого операційного підсилювача диференціального розщеплювача, вхід другого операційного підсилювача з'єднаний через другий розділовий конденсатор з опорним електродом, операційні підсилювачі диференціального розщеплювача через перший та другий підсилювачі високої частоти з'єднані зі входами перемножувача, який виходом підключений до другого фільтру нижніх частот, вихід якого з'єднаний зі входом підсилювача низької частоти Введення в схему пристрою для електрофізіологічних досліджень біооб'єктів другого фільтра 60815 струми Тому і на ДІЛЯНЦІ тіла між електродами 1 і нижніх частот, перемножувача, другого підсилю2 виникає відповідне спадання напруги від флюквача високої частоти, диференціального розщептуючих струмів, що має випадковий характер Селювача, двох розділових конденсаторів і двох поредній квадрат спадання напруги від флюктуючих верхневих чи голчастих електродів, з яких один струмів (тепловий шум) у міжелектродному просвимірювальний, а другий опорний, котрі включені торі визначається формулою Найквіста зазначеним образом, дозволяє скомпенсувати вплив власних шумів двох підсилювачів високої Lj2=4kTRAf, 0) частоти за рахунок перемножування посилених де k-постійна Больцмана, сигналів на результат порівняння інтенсивності Т-термодинамічна температура, клітинних струмів досліджуваного біооб'єкта з тепR-електричний опір міжелектродної ділянки тіловими шумами, що імітуються перемінним резисла, тором, розміщеному в термостаті з температурою Af-смуга частот, у якій вимірюють тепловий біооб'єкта, забезпечує підвищення інформаційної шум здатності запропонованого пристрою до високочаУ живому організмі в міжелектродном просторі стотних біострумів об'єкта, безпеці і точності вимікрім напруги теплового шуму має місце спадання ру інтенсивності цих біострумів, а також дозволяє напруги і від біострумів, що генеруються клітинами визначити коефіцієнт фізіологічної активності жиі мають регулярний характер Біострум окремої вих організмів на різних енергетичних меридіанах клітини має свою характеристичну частоту й ампНа кресленні (див Фіг) зображена функціоналітуду, тому що його параметри визначаються льна схема пристрою для електрофізіологічних геометричними розмірами, складом і структурою досліджень біооб'єктів цієї клітини Але оскільки клітин у високоорганізоПристрій містить вимірювальний голчастий ваному організмі багато і вони виконують різні фуелектрод 1, опорний голчастий електрод 2, автонкції, те результуючий біострум у міжелектродноматичний перемикач 3, перемінний резистор 4, му просторі організму змінюється в часі термостат 5, генератор 6 низької частоти, розділоквазівипадковим образом по амплітуді і частоті ві конденсатори 7 і 8, диференціальний розщепТому високочастотний біострум має суцільний лювач 9 на операційних підсилювачах 10 і 11, підспектр, що статистичне аналогічний спектру тепсилювачі 12 і 13 високої частоти, перемножувач лового шуму і нерозрізнений на його тлі 14, фільтр 15 нижніх частот, підсилювач 16 низької Дослідження показують, що інтенсивність клічастоти, синхронний детектор 17, фільтр 18 нижніх тинних струмів збільшується з ростом температучастот і вольтметр 19 ри Т, пропорційна смузі частот Af, у якій здійснюПозицією 20 позначений фрагмент досліджується її вимір Спадання напруги від клітинних ваного біологічного об'єкта струмів у свою чергу залежить від величини опору Електроди 1 і 2 з'єднані з входами автоматичR ділянки тіла, на якому виміряється спадання ного перемикача 3, при цьому вимірювальний еленапруги, і визначається швидкістю протікання мектрод 1 з'єднаний безпосередньо, а опорний електаболічних процесів у клітинах організму Тому трод 2-через перемінний резистор 4, розміщений у середній квадрат спадання напруги від клітинних термостаті 5 Вихід генератора 6 низької частоти струмів у міжелектродному просторі за аналогією з з'єднаний з керуючим входом автоматичного пе(1) можна представити у виді ремикача 3, вихід якого через розділовий конденсатор 7 з'єднаний з одним входом диференціальО62 = 4askTRAf, (2) ного розщеплювача 9, зібраного на операційних де аз-коефіцієнт фізіологічної активності біопідсилювачах 10 і 11 Інший вхід диференціальнооб'єкта го розщеплювача через розділовий конденсатор 8 У виразі (2) коефіцієнт зе відбиває швидкість з'єднаний безпосередньо з опорним електродом 2 протікання метаболічних процесів у клітинах оргаВиходи операційних підсилювачів 10 і 11 диференізму, а опір R є електрошкіряним опором, якщо нціального розщеплювача через підсилювачі 12 і електроди розташовані на поверхні тіла людини 13 високої частоти з'єднані з входами перемножуЯкщо використовуються голчасті електроди (підвача 14, до виходу якого підключені послідовно шкіряні), то опір R визначається питомим електриз'єднані фільтр 15 нижніх частот, підсилювач 16 чним опором зондуємих органів чи тканин (але в низької частоти, синхронний детектор 17, фільтр основному МІЖКЛІТИННОЮ рідиною), а також від18 нижніх частот і вольтметр 19 Керуючий вхід станню між електродами У цьому випадку опір синхронного детектора 17 з'єднаний також з виховиходить на багато менше електрошкіряного, а дом генератора 6 низької частоти отже, і спадання напруги істотно менше Але в Пристрій працює в такий спосіб цьому випадку можна одержати інформацію про На поверхні біооб'єкта (людину чи тварину) глибинні процеси усередині організму розміщають у біологічно активних зонах (БАЗ) чи При верхнім положенні автоматичного переточках акупунктури (ТА) електроди 1 і 2, виконані з микача 3, як зазначено на кресленні, шумові по добре провідного металу (МІДІ ЧИ алюмінію) У біоспектрі напруги з інтенсивностями (1) і (2) з електоб'єкті 20, як і в будь-якім фізичному ТІЛІ броунівродів 1 і 2 через розділові конденсатори 7 і 8 одський рух носіїв струму викликає флуктуації рівноночасно подаються на входи диференціального мірного розподілу їхній по обсязі тіла і поява розщеплювача напруги 9 У протилежному полонезбалансованих зарядів Останні створюють різженні автоматичного перемикача 3 на входи диницю потенціалів і струм, що вирівнює цю різницю ференціального розщеплювача надходить тільки Це приводить до того, що через різні ділянки тіла в шумова напруга резистора 4, що знаходиться усеокремі моменти часу будуть протікати флюктуючі редині термостата 5, що підтримує температуру, 8 7 60815 рівну температурі біооб'єкта Диференціальний з'являється змінна складова напруги низької частоти генератора 6, що керує роботою автоматичрозщеплювач 9, зібраний на операційних підсилюного перемикача 3 Амплітуда перемінної складовачах 10 і 11, перетворить симетричну щодо землі вої буде визначатися напіврізницею напруг (10) і різницеву напругу двох електродів у дві ЛІНІЙНІ (11) (щодо землі) напруги з протилежними знаками Якщо шумові напруги ІІщф і UeCt) представити в (12) UQ = комплексному виді и ш і 0 б , то при одному положенні автоматичного перемикача 3 на виходах Температуру термостата 5 установлюють ріврозщеплювача 9 маємо ній температурі біооб'єкта 20, а опір перемінного резистора 4 роблять рівним опору біооб'єкта між (3) и1=иш+иб, електродами 1 і 2, що попередньо вимірюють У цьому випадку інтенсивності теплових шумів біо(4) об'єкта і резистора зрівнюються, і резистор 4 можп 2 =-п ш -й б на розглядати як модель неживого тіла, що має При ІНШІМ положенні автоматичного перемитемпературу живого тіла Після проведення опекача 3 ВІДПОВІДНО маємо рації шумової ВІДПОВІДНОСТІ біооб'єкта фізичному (5) пз=пр і 0 4 =-п р . об'єкту по температурі й опору амплітуда змінної напруги (12) приймає вид де Up - комплексне падіння шумової напруги на резисторі 4 Розщеплені напруги підсилюються підсилювачами 12 і 13 високої частоти і перемножуються перемножувачем 14 Тому що шумові напруги, що знімаються з електродів 1 і 2 і резистори 4 малі і порівнянні з власними шумами підсилювачів 12 і 13, та вихідна напруга перемножувача при одному положенні автоматичного перемикача п5 = [кі(0ш +пб)+пш1|к2(-пш -пб)+пш2]+ис, (6) де кі і к.2 - коефіцієнти підсилення підсилювачів 12 і 13, 0 ш 1 і п ш 2 - власні шумові напруги підсилювачів 12 і 13, Uc - напруга зсуву нуля перемножувача 14 В ІНШІМ положенні автоматичного перемикача ВІДПОВІДНО маємо йб^йр+пшіі-кзйр+пшгі+ис (7) Перемножені напруги усереднюють фільтром 15 нижніх частот При перемножуванні напруг (6) і (7) варто врахувати, що фізичні і фізіологічні шумові процеси в біооб'єкті між собою некорельовані, а також некорельовані між собою власні шуми підсилювачів 12 і 13 U U " °"Q (8) 0ш1иш2«о Крім того некорельовані між собою вимірювані шумові напруги (3) і (5) із шумами підсилювачів 12 і 13 ш, = k,U m и ш 2 2ишU 0, (9) к 1 й б й ш 1 = к 2 й б й ш 2 «0 З урахуванням (8) і (9) усереднена напруга на виході фільтра 15 нижніх частот змінюється від значення напруги U7=k3U6 = до значення Urn + ІІ6 (10) -2 (11) Uo = k^Uv = де кз - коефіцієнт передачі фільтра 15 нижніх частот При періодичних переключеннях вхідних напруг у ВИХІДНІЙ напрузі фільтра 15 нижніх частот пі (13) Змінна напруга підсилюється підсилювачем 16 низької частоти і випрямляється синхронним детектором 17, що керується також напругою генератора 6 низької частоти Випрямлена напруга на виході фільтра 18 нижніх частот 1 - 2 (14) 11 " 2 12 3 4 б, де ^-коефіцієнт підсилення підсилювача 16, згладжується фільтром 18 нижніх частот Постійна напруга (14) виміряється вольтметром 19 Як видно з вираження (14) результат виміру пропорційний інтенсивності високочастотних клітинних струмів, що з урахуванням формули (2) визначається інтенсивністю теплових шумів і коефіцієнтом фізіологічної активності біооб'єкта Для визначення коефіцієнта фізіологічної активності зе електроди 1 і 2 замикають один на одного Завдяки високій електропровідності електро— 2 —2 дів (R«0) можна вважати, що и ш +ІІ6 « 0 У цьому випадку згідно (12) амплітуда перемінної складової низької частоти на виході фільтра 15 нижніх частот буде визначатися тільки інтенсивністю теплових шумів резистора 4 • _ k 1 k 2 k 3 -2 и (16) 9 - — ~ — и Р З огляду на, що рівень теплових шумів резистора 4 приведений до рівня теплових шумів біооб'єкта 20, одержуємо значення вимірюваної напруги Ui2=2kik2k3k4kTRAf (17) Розділив отриману напругу ІІц на вимірювану напругу U-I2 інтенсивності теплових шумів, остаточно одержимо значення коефіцієнта фізіологічної активності ж = (18) U12 Отриманий результат (18) не залежить від нестабільності параметрів вимірювальної схеми (кі,к2,кз,І