Пристрій для оцінки біоелектричної активності точок акупунктури

Пристрій для оцінки біоелектричної активності точок акупунктури, що містить вимірювальний і базовий електроди, які через електричні рознімачі і два розділові конденсатори з'єднані з входами диференціального підсилювача, виходи якого з'єднані з входами двох смугових підсилювачів, вихід одного з яких безпосередньо, а вихід другого через автоматичний перемикач з'єднані з входами балансного змішувача, послідовно з'єднані перші вузькосмуговий підсилювач, синхронний детектор і C2 2 80267 1 3 80267 фільтр нижніх частот і прилад, що реєструє, який підключений до виходу підсилювача через фільтр нижніх частот. Проте йому властива низька достовірність діагностики через великі похибки вимірювання опору за значенням біоструму, що протікає через електроди. Похибки вимірювання виникають через дію шумів, які по рівню значно більше біоструму. Відомий також пристрій для оцінки біоелектричної активності точок акупунктури [патент України №53107А, МПК А61Н39/00, бюл. №1, 2003], що містить вимірювальний і базовий електроди, які через електричні роз'єми і два розділові конденсатори з'єднані з входами диференціального підсилювача, ви ходи якого з'єднані безпосередньо та через автоматичний перемикач, відповідно, з входами балансного змішувача, послідовно з'єднані вузькополосний підсилювач, синхронний детектор і фільтр нижніх частот, реєстр уючий прилад і мультивібратор, вихід якого з'єднаний з керуючими входами автоматичного перемикача і синхронного детектора. Крім того, у відомому пристрої вихід балансного змішувача з'єднаний безпосередньо з входом вузькополосного підсилювача, а вихід фільтру нижніх частот з'єднаний з входом реєструючого приладу. Для вимірювання опору використовується тепловий шум шкіри, що знімається вимірювальним електродом з досліджуваної ТА. При цьому напруга теплового шуму пропорційна опору ТА і її температурі, яка на різних ділянках тіла може розрізнятися на 0,5-2 градуса Цельсія. Через несталість температури ТА виникає додаткова температурна похибка виміру опору, яка знижує достовірність оцінки біологічної активності ТА. В той же час сама температура ТА є важливою діагностичною ознакою, але вона у відомому пристрої не вимірюється. В основу винаходу покладено задачу створити такий пристрій для оцінки біоелектричної активності точок акупунктури, в якому введення нових елементів і зв'язків виключило б вплив несталості температури ТА на її електричний опір і дозволило б додатково контролювати температуру ТА незалежно від її опору, що підвищить достовірність оцінки біоелектричної активності різних ТА і всього організму в цілому. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для оцінки біоелектричної активності точок акупунктури, що містить вимірювальний і базовий електроди, які через електричні роз'єми і два розділові конденсатори з'єднані з входами диференціального підсилювача, виходи якого з'єднані безпосередньо та через автоматичний перемикач, відповідно, з входами балансного змішувача, послідовно з'єднані вузькополосний підсилювач, синхронний детектор і фільтр нижніх частот, реєструючий прилад і мультивібратор, вихід якого з'єднаний з керуючими входами автоматичного перемикача і синхронного детектора, згідно з винаходом, в нього додатково введені третій та четвертий розділові конденсатори, другі послідовно з'єднані вузькополосний підсилювач, синхронний детектор і фільтр нижніх частот, др угий реєструючий прилад, операційний підсилювач з резистором 4 від'ємного зворотного зв'язку, блок ділення і інтегратор, вхід якого з'єднаний з виходом балансного змішувача, а до ви ходу підключені паралельно вхід першого вузькополосного підсилювача і через четвертий розділовий конденсатор та електричний роз'єм опорний електрод, а вимірювальний електрод через електричний роз'єм і третій розділовий конденсатор з'єднаний з операційним підсилювачем з резистором від'ємного зворотного зв'язку, вихід якого послідовно з'єднаний з входом другого вузькополосного підсилювача, з другим синхронним детектором, фільтром нижніх частот, та другим реєструючим приладом, один вхід блока ділення з'єднаний з виходом першого фільтру нижніх частот, др угий вхід з'єднаний з виходом другого фільтру нижніх частот, а до виходу підключений перший реєструючий прилад, при цьому другий реєструючий прилад, підключений безпосередньо до виходу другого фільтру нижніх частот, а другий синхронний детектор з'єднаний з автоматичним перемикачем, мультивібратором та першим фільтром нижніх частот. Введення у вимірювальну схему пропонованого пристрою третього та четвертого розділових конденсаторів, други х послідовно з'єднаних вузькополосного підсилювача, синхронного детектора і фільтру нижніх частот, другого реєстр уючого приладу, операційного підсилювача з резистором від'ємного зворотного зв'язку, блока ділення і інтегратора, включених вказаним чином, дозволяє одержати на виході додаткового каналу з операційним підсилювачем, охопленим від'ємним зворотним зв'язком через опір ТА і постійний резистор, напругу, пропорційну тільки температурі ТА. Ділення вихідної напруги основного каналу, пропорційній добутку опорів ТА на її температур у, на вихідну напругу додаткового каналу в блоці ділення дозволяє сформувати його вихідну напругу, пропорційну тільки опору ТА. Роздільне і одночасне вимірювання опору і температури ТА підвищує достовірність оцінки біоелектричної активності ТА і ефективність діагностики організму в цілому. На кресленні представлена функціональна схема запропонованого пристрою для оцінки біоелектричної активності ТА. У запропонованому пристрої вимірювальний 1 і базовий 2 електроди через електричні роз'єми 3 і 4 і два розділові конденсатори 5 і 6 послідовно з'єднані з входами диференціального підсилювача 7, виконаного на двох операційних підсилювачах 8 і 9, виходи яких з'єднані з входами смугови х підсилювачів 10 і 11. Вихід одного з них з'єднаний з одним входом балансного змішувача 12, прямий і інверсний вихід іншого смугового підсилювача з'єднані через автоматичний перемикач 13, який керується прямокутною напругою мультивібратора 14, з іншим входом балансного змішувача. Ви хід балансного змішувача з'єднаний з входом інтегратора 15, до виходу якого підключені послідовно з'єднані вузькополосний підсилювач 16, синхронний детектор 17, керований напругою мультивібратора 14, фільтр 18 нижніх частот, блок ділення 19 по одному з входів і реєструючий прилад 20, підключений до його виходу. 5 80267 Між електричним роз'ємом 3 і розділовим конденсатором 5 підключений третій розділовий конденсатор 21, а між електричним роз'ємом 4 та розділовим конденсатором 6 підключений четвертий розділовий конденсатор 22. Вимірювальний електрод 1 підключений через третій розділовий конденсатор 21 до операційного підсилювача 23, вихід якого з'єднаний з резистором 24 від'ємного зворотного зв'язку. Базовий електрод 2 підключений через четвертий розділовий конденсатор 22 до виходу інтегратора 15. До виходу операційного підсилювача 23 підключені послідовно з'єднані другий вузькополосний підсилювач 25, синхронний детектор 26, керований напругою мультивібратора 14, другий фільтр 27 нижніх частот, другий реєструючий прилад 28 і паралельно другий вхід блока ділення 19. Пристрій для оцінки біоелектричної активності точок акупунктури працює таким чином. За допомогою вимірювального електроду 1, розташованого в досліджуваній ТА, і базового електроду 2 з великою контактною поверхнею знімають шумову напругу, яка є наслідком теплових флуктуацій електронів і іонів в біологічних тканинах. Відповідно до рівняння Найквіста середній квадрат напруги теплового шуму (1) U2 = 4KDfTR , N де K = 1,38 ´ 10 ~ 23 Дж/К - постійна Больцмана; D f - смуга частот, в якій виділяється тепловий шум; T - термодинамічна температура за шкалою Кельвіна (К); R - електричний опір між вимірювальним 1 і базовим 2 електродами. З біологічних тканин найбільшим електричним опором володіє поверхневий шар шкіри (епідерміс). Тому найбільший внесок в шумову напругу (1) вносить електрошкіряний опір (ЕКС) ТА, який набагато більше опору підшкірних тканин і контактного опору базового електроду. Шумова напруга електродів через електричні роз'єми 3 і 4 і два розділові конденсатори 5 і 6 поступає на симетричні входи диференціального підсилювача 7, виконаного на двох операційних підсилювачах 8 і 9. Вхідна симетрична напруга розщеплюється на дві лінійні напруги з протилежною полярністю: & & U1 = k1UN, , (2) & & U2 = -k 2UN де k1 = k2 - коефіцієнти передач диференціального підсилювача по кожному з каналів; & UN - вхідна шумова напруга вкОмплексному вигляді; & & U1 і U2 - вихідні шумові напруги вкОмплексному вигляді. & & Напруги U1 і U2 посилюються смуговими підсилювачами 10 і 11, смуга пропускання D f яких забезпечує придушення низькочастотних шумів нетеплового характеру і високочастотних пере 6 шкод. З урахуванням власних шумів смугови х підсилювачів 10 і 11, їх вихідні напруги матимуть вигляд: & & (3) U¢ = k 3 UN3 + k1 & N , U 3 ( ) ( ) & & & (4) U4 = k 4 UN4 - k2UN , Де k3 і k4 - коефіцієнти посилення смугових підсилювачів 10 і 11 в смузі їх пропускання; & & UN3 і UN4 - власні шуми смугових підсилювачів 10 і 11 вкОмплексному вигляді. На інверсному ви ході смугового підсилювача 10 формується шумова напруга протилежного знаку & & & (5) U¢ = -k 3 UN3 + k1UN , 3 ( ) При періодичних перемиканнях автоматичного перемикача 13, який керується прямокутною напругою мультивібратора 14, на один вхід балансного змішувача 12 по черзі поступають напруги & &¢ U¢ і U¢ . На інший вхід цього змішувача безпере3 3 & рвно поступає напруга U4 . В результаті скалярного перемножування вхіднихкОмплексних напруг балансного змішувача 12 на його виході по черзі формуються сигнали наступного вигляду: &¢ & & & & & ¢ U5 = S1U3U4 = S1 k 3k 4 UN3 + k 1UN UN4 - k 2UN , (6) [ ( )( )] [ ( )( )] & & & & & & ¢ U¢5 = S1U¢ U4 = S1 - k 3k 4 UN3 + k1UN UN4 - k 2UN , (7) 3 де S1 - крутизна перетворення балансного змішувача 12. Добутки напруг (6) і (7) по черзі усереднюються в інтеграторі 15, що приводить до утворення в їх спектрі постійних складових напруг. Для оцінки постійних складових напруг слід врахувати, що власні шуми операційних та см угови х підсилювачів 8, 9, 10 і 11 між собою не корельовані. Так само шумова напруга UN(t ) не корельована з шумами цих підсилювачів. Але складові вимірюваної шумової напруги на виході ди ференціального підси& лювача 7 k1 & N і - k 2UN - корельовані між собою, U оскільки формуються з однієї шумової напруги & UN . Оскільки середнє значення добутків некорельованих сигналів за час більший часу усереднення рівне нулю, то ви хідна напруга інтегратора 15 змінюватиметься від одного значення 2 (8) ¢ U6 = -S1 1k2k3k 4UN ; 0 < t < l / W , k до другого значення 2 (9) ¢ U6 = S1k1k 2k3k 4UN ; p / W < t < 2p / W , де W - кругова частота перемикань напруг U¢ і U6 , яка задається параметрами мультивіб¢ 6 ратора 14. Тимчасову послідовність усереднених напруг (8) і (9), які мають різні знаки, можна розглядати як одну змінну з частотою перемикань напругу прямокутної форми 2 (10) U6 = S1k1k 2k3k 4UNsignsinWt , 7 80267 де sign sin Wt - огинаюча знаку (+ або - залежно від значення Wt ). Разом з детермінованою напругою (10) частоти W на виході інтегратора 15 присутні і перешкоди у вигляді низькочастотних шумів. Рівень перешкод визначатиметься часом усереднювання, тобто напівперіодом перемикання мультивібратора 14. Для зменшення перешкод змінна напруга (10) посилюється вузькополосним підсилювачем 16, налаштованим на частоту перемикання мультивібратора 14. Посилена напруга випрямляється синхронним детектором 17, який керується напругою мультивібратора 14. Випрямлена напруга згладжується фільтром 18 нижніх частот і матиме вигляд U7 = k 5k 6k 7Um6 , (11) 2 де Um6 = S1k1k2k 3k 4UN - амплітуда змінної напруги (10); k5 - коефіцієнт посилення вузькополосного підсилювача 16; k6 - коефіцієнт випрямлення синхронного детектора 17; k7 - коефіцієнт передачі фільтру 18 нижніх частот. Підставляючи у вираз (11) значення амплітуди змінної напруги з (10), одержуємо 2 (12) U7 = a UN , де a = S1k1 2k3k 4k5k6k7 - результуючий коеk фіцієнт перетворення вхідної шумової напруги в постійну напругу. Якщо у вираз (12) підставити значення середнього квадрата шумової напруги з (1), то одержимо U7 = 4a KDfTR , (13) Постійна напруга поступає на один вхід блока ділення 19, до виходу якого підключений реєстуючий прилад 20. Змінна напруга (10) з виходу інтегратора 15 поступає також через третій та четвертий розділові конденсатори 21 і 22, електричні роз'єми 3 і 4, електроди 1 і 2 на інверсний вхід операційного підсилювача 23 з через резистором 24 від'ємного зворотного зв'язку. Коефіцієнт посилення такого підсилювача визначається відношенням опору резистора 24 від'ємного зворотного зв'язку до опору між електродами 1 і 2. Тому ви хідна напруга операційного підсилювача 23 R U8 (t ) = 0 U6 (t ) , (14) R де R0 - опір резистора 24; R - електрошкіряний опір досліджуваної ТА. Якщо підставити у вираз (14) значення U6 (t ) , то одержимо 2æ R ö U8 (t ) = Sk1k2k 3k 4UN ç 0 ÷signsinWt , (15) è R ø Змінна напруга (15) посилюється другим вузькосмуговим підсилювачем 25, налаштованим на 8 частоту перемикання мультивібратора 14 з тим же коефіцієнтом посилення k5 . Посилена напруга випрямляється аналогічним другим синхронним детектором 26, який, як і синхронний детектор 17, керується напругою мультивібратора 14. Випрямлена напруга згладжується другим фільтром 27 нижніх частот, аналогічним фільтру 18, і з урахуванням виразу (1) приймає вигляд U9 = 4a KDfTR 0 , (16) У виразі (16) опір резистора 24 від'ємного зворотного зв'язку R0 = const . Тому ви хідна напруга пропорційна температурі ТА і не залежить від його електрошкіряного опору R . Ця напруга реєструється другим реєструючим приладом 28, шкала якого градуюється в одиницях температури. Одночасно постійна напруга поступає на другий вхід блока ділення 19. В результаті ділення напруги (13) на напругу (16) на виході блока ділення 19 одержують напругу U U10 = S2 7 = S2 (R / R0 ) , (17) U9 де S2 - крутизна перетворення блока ділення. З виразу (17) видно, що напруга пропорційна значенню електричного опору ТА і не залежить від її температури. Шкала реєструючого приладу 20 градуюється в одиницях електричного опору. Таким чином, по шумовій напрузі ТА можна зареєструвати незалежно один від одного її електрошкіряний опір і температуру. При цьому повністю виключено вплив температури ТА на її електричний опір і навпаки. Завдяки періодичному інвертуванню шумової напруги, яка знімається з вимірювального і опорного електродів, вузькополосному посиленню змінної складової перемножених і усереднених напруг і подальшому синхронному детектуванню цієї складової виключений вплив власних шумів вимірювальної схеми, які перевищують шуми ТА, на результат вимірювання ЕКС і температури досліджуваних ТА. У розробленому пристрої шумова напруга, що знімається з електродів 1 і 2, подається на вимірювальну схему через розділові конденсатори 5 і 6 малої ємності (0,01 мкФ), які з вхідними резисторами диференціального підсилювача 7 (100кОм) утворюють фільтр вер хніх частот з частотою зрізу 20-25кГц. Тому на ви хід диференціального підсилювача 7 проходять тільки складова теплового шуму, а низькочастотні нетеплові шуми відфільтровуються. Смугові підсилювачі 10 і 11 мають смугу пропускання Df = 200 кГц, починаючи з нижньої межі в 30кГц. Обмеження по верхній межі смуги пропускання вибране на рівні 230-250кГц, що зменшує вплив ємностей електродів, роз'ємів і з'єднуючи х дротів на результати вимірювань. Частота перемикань мультивібратора 13 вибрана порівняно низькою (125Гц) для забезпечення необхідного часу усереднювання. Це виключає проходження змінної напруги цієї частоти з виходу інтегратора 15 на диференціальний підсилювач 7 через розділові конденсатори 5 і 6. У той же час ємності третього та четвертого розділових конденсаторів 21 і 22 вибрані великими (1-2 мкФ), що 9 80267 сприяє проходженню змінного струму частоти перемикань через досліджувану ТА з малими втратами на розділових конденсаторах. Змінний струм частоти перемикань, який протікає через ТА, вельми малий (десь біля 10-8-10-9 А), що виключає деструктивну дію на клітки живого організму. Крім того, змінний струм підвищеної частоти практично не викликає поляризацію біологічних тканин. Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 10 Операційний підсилювач 23 виконаний на інтегральній схемі AD8131 із зовнішнім резистором 24 від'ємного зворотного зв'язку номіналом 100кОм. Решта елементів схеми вибрана такими, як і в найбільш близькому аналогу. Діапазон виміру опору складає від 10кОм до 5мОм, діапазон виміру температури від 300 до 320 К. При цьому відносна похибка опору не перевищує 1,5%, а температури ±0,2К. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601