Пристрій для вимірювання складових імпедансу біологічних тканин

Реферат: Пристрій для вимірювання складових імпедансу біологічних тканин містить генератор синусоїдальної напруги, два струмових та два потенціальних електроди для під'єднання об'єкта контролю, два підсилювачі, два фазових детектори, два повторювачі, зразковий резистор, одним виводом з'єднаний з першим струмовим електродом та першим входом другого підсилювача, виходом з'єднаного з входами компаратора та першого фазового детектора, керуючий вхід якого під'єднано до виходу компаратора та виходу формувача затримки, а керуючий вхід другого фазового детектора під'єднується через перемикач до виходу компаратора або до виходу формувача затримки, два його входи з'єднані через повторювачі з відповідними потенціальними електродами, а вихід - з інформаційним входом інтегрувального АЦП, який під'єднаний виходом до індикатора. Вихід генератора з'єднано з першим входом першого підсилювача, другий вхід якого під'єднано до виходу другого підсилювача, а вихід має спільну точку з другим виводом резистора та другим входом другого підсилювача, опорний вхід АЦП під'єднано до виходу першого фазового детектора, а другий струмовий електрод є заземлений. UA 110902 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ СКЛАДОВИХ ІМПЕДАНСУ БІОЛОГІЧНИХ ТКАНИН UA 110902 U UA 110902 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі медичної техніки і може бути використаний в медицині для експрес-діагностики різних захворювань, а також для кількісного оцінювання патологічних змін в тканинах і органах за відхиленнями їхніх електричних параметрів від норми. Відомі вимірювальні засоби для вимірювання електричних параметрів, зокрема складових комплексного опору біологічних об'єктів, які являють собою мости змінного струму [Патент України № 35734, А61В 5/05, 2008], або вимірювачі параметрів імпедансу з прямим перетворенням опору в напругу [Авторське свідоцтво №1367938, А61В 5/05, 1988]. В цих вимірювальних засобах використовують двоелектродну схему під'єднання об'єкта контролю до вимірювальної схеми, що призводить до похибки вимірювання, зумовленої приелектродними імпедансами, які містять аналогічні складові імпедансу. Використання чотириелектродної схеми під'єднання усуває вплив приелектродного імпедансу, однак не завжди забезпечується при цьому режим заданого струму на об'єкті контролю. Найближчим аналогом до пристрою, що заявляється, є пристрій для 1 вимірювання активної та ємнісної складових імпедансу біологічних тканин [Патент на винахід № 2196504 РФ, А61В 5/53, 2003], який містить генератор синусоїдальної напруги, два струмових та два потенціальних електроди для під'єднання об'єкта контролю, два підсилювачі, два фазових детектори, два повторювачі, зразковий резистор, одним виводом з'єднаний з першим струмовим електродом та першим входом другого підсилювача, виходом з'єднаного з входами компаратора та першого фазового детектора, керуючий вхід якого під'єднано до виходу компаратора та виходу формувача затримки, а керуючий вхід другого фазового детектора під'єднується через перемикач до виходу компаратора або до виходу формувача затримки, два його входи з'єднані через відповідні повторювачі з потенціальними електродами, а вихід - з інформаційним входом інтегрувального АЦП, під'єднаним виходом до індикатора. Таким вимірювачем забезпечується інваріантність результату до приелектродного імпедансу, однак не забезпечується при цьому інваріантність до напруги генератора, а режим заданого струму забезпечується складним зворотним зв'язком з залученням багатьох електронних вузлів. Похибка вимірювання у даному разі також залежить від зміни напруги генератора. В основу корисної моделі поставлена задача створити пристрій для вимірювання складових імпедансу біологічних тканин, у якому введення нових зв'язків дозволило б зменшити похибку вимірювання та максимально спростити схему вимірювання. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій вимірювання складових імпедансу біологічних об'єктів, який містить генератор синусоїдальної напруги, два струмових та два потенціальних електроди для під'єднання об'єкта контролю, два підсилювачі, два фазових детектори, два повторювачі, зразковий резистор, одним виводом з'єднаний з першим струмовим електродом та першим входом другого підсилювача, виходом з'єднаного з входами компаратора та першого фазового детектора, керуючий вхід якого під'єднано до виходу компаратора та виходу формувача затримки, а керуючий вхід другого фазового детектора під'єднується через перемикач до виходу компаратора або до виходу формувача затримки, два його входи з'єднані через відповідні повторювачі з потенціальними електродами, а вихід - з інформаційним входом інтегрувального АЦП, під'єднаним виходом до індикатора, в якому згідно з корисною моделлю, вихід генератора з'єднано з першим входом першого підсилювача, другий вхід якого під'єднано до виходу другого підсилювача, а вихід має спільну точку з другим виводом резистора та другим входом другого підсилювача опорний вхід АЦП під'єднано до виходу першого фазового детектора, а другий струмовий електрод є заземлений. Це дає змогу забезпечити режим заданого струму через об'єкт контролю та інваріантність результату вимірювання до напруги генератора. Спрощується схема вимірювання складових імпедансу та усувається похибка вимірювання, зумовлена зміною напруги генератора. На кресленні представлена блок-схема пристрою вимірювання складових імпедансу біологічних тканин, де: 1 - генератор; 2, 3 - диференційні підсилювачі; 4 - зразковий резистор; 5, 6 - струмові та 7, 8 - потенціальні електроди для під'єднання об'єкта контролю X ; 9, 10 повторювачі; 11-компаратор; 12 - перемикач; 13 - формувач затримки; 14, 15 - фазові детектори; 16 - АЦП; 17 - індикатор. Об'єкт контролю X подано на кресленні схемою заміщення, яка містить приелектродні імпеданси Z 1 , Z 2 та інформативний імпеданс Z x , а зразковий резистор 4 опором R 0 . Пристрій для вимірювання складових імпедансу біологічних тканин містить генератор синусоїдальної напруги 1, два струмових 5, 6 та два потенціальних 7, 8 електроди для під'єднання об'єкта контролю, два диференційні підсилювачі 2, 3, два фазових детектори, 14, 15 два повторювачі 9, 10, зразковий резистор 4, одним виводом з'єднаний з першим струмовим електродом 5 та першим входом другого підсилювача 3, виходом з'єднаного з входами 1 UA 110902 U 5 10 компаратора 11 та першого фазового детектора 14, керуючий вхід якого під'єднано до виходу компаратора 11 та виходу формувача затримки 13, а керуючий вхід другого фазового детектора 15 під'єднано через перемикач 12 до виходу компаратора 11 або до виходу формувача затримки 13, два його входи з'єднані через повторювачі 9, 10 відповідно з потенціальними електродами 7, 8, а вихід - з інформаційним входом інтегрувального АЦП 16, під'єднаним виходом до індикатора 17. Вихід генератора 1 з'єднано з першим входом першого підсилювача 2, другий вхід якого під'єднано до виходу другого підсилювача 3, а вихід має спільну точку з другим виводом резистора 4 та другим входом другого підсилювача 3, опорний вхід АЦП 16 під'єднано до виходу першого фазового детектора 14, а другий струмовий електрод 6 є заземлений. Пристрій для вимірювання складових імпедансу працює наступним чином. Під дією синусоїдального сигналу генератора 1 встановлених рівня UT та частоти  на виході   підсилювачів 2 та 3 формуються напруги, відповідно U та U : 0  U  UT  U0 k ,   U0  U (1) R0 , R0  Z1  Z x  Z 2 (2) 15 де k - коефіцієнт підсилення підсилювача 2. З рівняння (2) отримаємо   R  Z1  Z x  Z 2 . U  U0 0 R0 20 (3) Прирівнявши праві частини рівнянь (1) та (3)  UT  U0 k  U0 R0  Z1  Z x  Z 2 R0 , (4) отримуємо:   U0  UT 1 R  Z1  Z x  Z 2 1 0 k  R0 . (5) 25 На виходах повторювачів 9, 10 маємо відповідно:   Ux1  U Zx  Z2 , R0  Z1  Z x  Z 2 (6) Z2 . R 0  Z1  Z x  Z 2 (7)   Ux 2  U 30 Отримана напруга (5) подається на інформаційний вхід фазового детектора 14, який керується сигналом, сформованим компаратором 11 і є синфазним з вхідним сигналом. Незалежно від режиму вимірювання на виході детектора 14 отримаємо амплітудне значення напруги (5), а саме U0  UT a1 35 1 , R0  Z1  Z x  Z 2 1 k  R0 (8) де a1 - коефіцієнт перетворення фазового детектора 14. 2 UA 110902 U На виході диференційного фазового детектора 15 для режиму вимірювання активної складової R x матимемо (перемикач 12 знаходиться в положенні "а")   R   UR  Re Ux1  Ux 2  UT a 2 x  x R0 5   1 , R0  Z1  Z x  Z 2 1 k  R0 (11) UC a 3 X x x  .  U0 a1 R 0 (12) Отже, результат вимірювання складових не залежить від напруги генератора 1. Режим заданого струму обґрунтовується наступним. Струм через об'єкт контролю можна записати як: I 20 (10) де a 2 та a 3 - коефіцієнти перетворення фазового детектора 15 для режимів вимірювання активної та реактивної складових, відповідно. Інтегрувальним АЦП 16 здійснюється ділення напруг (9) та (10) на напругу (8), в результаті чого отримуємо UR a 2 R x x  ,  U0 a1 R 0 15 (9) а для режиму вимірювання реактивної складової X C (перемикач 12 знаходиться в положенні "б") X   UC  Im Ux1  Ux 2  UT a3 C  x R0 10 1 , R0  Z1  Z x  Z 2 1 k  R0  U , R 0  Z1  Z x  Z 2 (13) а з урахуванням виразів (3) та (5) матимемо: I UT R0 1 R  Z1  Z x  Z 2 1 0 k  R0 . (14) За умови R 0  Z1 Z x  Z 2  1 (забезпечується коефіцієнтом підсилення k та за умови k  R0 Z1  Z x  Z 2  R 0 ) отримуємо: 25 I 30 UT . R0 (15) При цьому спрощується схема вимірювального засобу, оскільки спрощено алгоритм забезпечення режиму заданого струму. Здійснюється це безпосередньо на етапі векторного перетворення "адмітанс-напруга" на відміну від найближчого аналогу, де залучено до цього ще й вектор-скалярне перетворення. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 Пристрій для вимірювання складових імпедансу біологічних тканин, який містить генератор синусоїдальної напруги, два струмових та два потенціальних електроди для під'єднання об'єкта 3 UA 110902 U 5 10 контролю, два підсилювачі, два фазових детектори, два повторювачі, зразковий резистор, одним виводом з'єднаний з першим струмовим електродом та першим входом другого підсилювача, виходом з'єднаного з входами компаратора та першого фазового детектора, керуючий вхід якого під'єднано до виходу компаратора та виходу формувача затримки, а керуючий вхід другого фазового детектора під'єднується через перемикач до виходу компаратора або до виходу формувача затримки, два його входи з'єднані через повторювачі з відповідними потенціальними електродами, а вихід - з інформаційним входом інтегрувального АЦП, який під'єднаний виходом до індикатора, який відрізняється тим, що вихід генератора з'єднано з першим входом першого підсилювача, другий вхід якого під'єднано до виходу другого підсилювача, а вихід має спільну точку з другим виводом резистора та другим входом другого підсилювача, опорний вхід АЦП під'єднано до виходу першого фазового детектора, а другий струмовий електрод є заземлений. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4