Генератор для електроімпедансних вимірювань біологічних об’єктів

96 Об 33 Є Z, МПК6А61В5/05 Генератор для електроімпедансних вимірювань біологічни об'єктів Винахід належить до області медичного приладобудування, зокрема до приладів, які використовують у діагностичних цілях вимірювання електроімпедансних характеристик, таких як електроімпедасш томографи і термографи. Відомо, що при електроімпедансних вимірюваннях суттєві труднощі обумовлені тим, що опір шкіри набагато більший за опір підшкірної біотканини. Щоб уникнути цього, застосовують складені електроди, що мають зовнішній активний електрод у вигляді кільця і внутрішній вимірювальний електрод. До активного електрода вмикається генератор струму, а напруга вимірюється на вимірювальному електроді [див. J.Rosell, J. Colominus, P. Riu, R. Pallas-Areny, and J.G. Webster, "Skin impedance from Ї Hz to 1 MHz, IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. BME-35, pp.649-651, 1988]. Це дозволяє виключити вплив імпедансу шкіри на вимірювання імпедансних характеристик підшкірних тканин. Проте частина струму з активного електрода відгалужується на вимірювальний електрод по поверхні шкіри, що спотворює результати вимірювань напруги- Щоб запобігти цьому, між активним і вимірювальним електродами розташовують захисний електрод, який заземлюють. При цьому частина струму, яка відгалузилася від активного електрода по поверхні шкіри, замикається через захисний електрод на «землю» і не впливає на напругу вимірювального електрода. Але це призводить до похибки у вимірюванні струму, бо не весь струм генератора струму протікає через досліджувану підшкірну біотканину. Відомий генератор [див. Q.Zhu, W.R.B. Lionheart, FJ. Lidgey, C.N. McLeod, K.S. Paulson, and M.K Pidcock "An adaptive current tomograf using voltage sources," IEEE Trans. Biomed Eng., vol. BME-40, pp.163-168, 1993], що являє собою прототип, який дозволяє встановлювати потрібну напругу на активному електроді і вимірювати струм електрода, що усуває необхідність застосування прецизійних генераторів струму. Генератор містить вхідний операційний підсилювач, що задає напругу на активному електроді, вимірювач струму активного електрода на другому операційному підсилювачі, активний електрод, вимірювальний електрод, напруга на якому вимірюється вольтметром з великим вхідним опором. Недоліком цього генератора є те, що він не дозволяє вимірювати струм, який відгалужується по поверхні шкіри. Задачею винаходу є створення генератора для електроімпедансних вимірювань біологічних об'єктів^ що дозволяє вимірювати як струм, що протікає через активний електрод і далі через досліджувану підшкірну біотканину, так і струм, який відгалужується по поверхні шкіри, причому останній не повинен досягати вимірювального електрода і спотворювати вимірювання напруги на підшкірній біотканині. Це дозволить вимірювати окремо імпеданс біотканини, поперечний імпеданс шкіри під активним електродом, а також поверхневий імпеданс шкіри між активним і захисним електродами. Поставлена задача досягається тим, що в генераторі для електроімпедансних вимірювань біологічних об'єктів, що містить вхідний підсилювач - повторювач напруги, неїнвертуючий вхід якого приєднано до входу генератора і через перший резистор приєднано до корпусу, а інвертуючий вхід перемкнено з його виходом і з неінвертуючим входом підсилювача - вимірювача струму електрода, підсилювач - вимірювач струму електрода, інвертуючий вхід якого ввімкнено до активного електрода І через другий резистор - до його виходу, який приєднано до першого виходу генератора, активний і вимірювальний електроди, новим є те, що введено операційний підсилювач, неінвертуючий вхід якого ввімкнено до вимірювального електрода, а інвертуючий вхід ввімкнено до захисного електрода, розташованого між активним і вимірювальним електродами, і через третій резистор приєднано до його виходу, який утворює другий вихід генератора. Ввімкнення операційного підсилювача між захисним і вимірювальним електродами вирівнює їх потенціали, тому струм між ними по поверхні шкіри не протікає, а струм між активним і захисним електродами протікає на вихід підсилювача. Це дозволяє окремо виміряти струми, що протікають через шкіру і підшкірну біотканину і по поверхні шкіри. На фіг. зображено схему генератора для електроімпедансних вимірювань біологічний об'єктів. Генератор містить вхідний підсилювач - повторювач напруги 1, підсилювач - вимірювач струму електрода 2, операційний підсилювач 3, активний 4, захисний 5 І вимірювальний 6 електроди, перший резистор 7, другий резистор 8, третій резистор 9, Резистори 10 і И моделюють поперечні опори шкіри під активним і вимірювальним електродами відповідно, резистори 12 і 13 моделюють поверхневі опори шкіри між активним і захисним, а також між захисним і вимірювальним електродами відповідно, резистор 14 моделює опір підшкірної біологічної тканини. Неінвертуючий вхід підсилювача - повторювача напруги 1 приєднано до входу генератора і через перший резистор 7 приєднано до корпусу, а інвертуючий вхід перемкнено з його виходом і з неінвертуючим входом підсилювача - вимірювача струму електрода 2, Інвертуючий вхід підсилювача - вимірювача струму електрода 2 ввімкнено до активного електрода 4 і через другий резистор 8 до його виходу, який приєднано до першого виходу генератора, інвертуючий вхід операційного підсилювача 3 приєднано до захисного електрода 5 і через третій резистор 9 до його виходу, який утворює другий вихід генератора, а неінвертуючий вхід приєднано до вимірювального електрода 6, який утворює третій вихід генератора. Вхідна напруга U] подається на неінвертуючий вхід вхідного підсилювача - повторювача напруги 1, з виходу якого повторена напруга поступає на неінвертуючий вхід підсилювача - вимірювача струму електрода 2, і отже, така ж наїтруга утворюється на його інвертуючому вході І прикладається до активного електрода 4. Струм з виходу підсилювача 2 протікає через резистор 8 на активний електрод 4, де розгалужується. Частина його протікає через опір шкіри ЇО і через опір підшкірної тканини 14, а решта відгалужується через опір поверхні шкіри 12 на захисний електрод 5 і через опір 9 на вихід підсилювача З Оскільки різниця потенціалів на опорі 13 завдяки дії підсилювача 3 мала, а вхідний опір неінвертуючого входу підсилювача 3 великий, струм через опір 11 не протікає, і напруга U* на третьому виході генератора дорівнює напрузі на опорі 14 підшкірної тканині Струм, що протікає від підсилювача 2 на активний електрод 4, дорівнює ' ^ (1 > Струм, що відгалужується по поверхні шкіри від активного електрода 4 на захисний електрод 5, знаходимо як Отже струм, що протікає через шкіру під активним електродом ї через підшкірну тканину, и 2 -и л и. -и ъ »=^-A=-V^—V"^ / (3) Визначивши струми, можна розрахувати поперечний Г/ і поверхневий Г2 опори шкіри, а також опір підшкірної тканини ґ '. #* 1^ --------------- ——— -—- -------„— --------.----. . ------ __ —__ --- . -----—---- ......... — ----- г-" h 1фи ) +К р и У ~R4J и ' і R 4 Гг ~ I £J- 1 ( 5) h Таким чином, вимірявши напруги на вході Ui і виходах СІ2, Оз, ЇІ4 генератора, і знаючи величини опорів R2 ї Яз , можна визначити як величини струмів, що протікають через шкіру і підшкірну тканину, так і по поверхні шкіри між активним і захисним електродами, а також величини опорів шкіри і підшкірної тканини, що розширює діагностичну інформацію про досліджуваний об'єкт. При цьому виключається похибка, обумовлена протіканням струму по поверхні шкіри між активним і вимірювальним електродами. -Я Генератор для електроімпедансних вимірювань біологічних об'єктів. Автори: Сташук В.Д. Тарапун В.А.