Пристрій для електрофізіологічних досліджень біооб’єктів

Пристрій для електрофізіологічних досліджень біооб'єктів, що містить опорний і вимірювальний електроди, автоматичний перемикач, два високочастотних підсилювача, виходи яких з'єднано з входами перемножувача, до виходу якого підключені послідовно з'єднані фільтр нижніх частот, вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, другий фільтр нижніх частот і вольтметр, генератор низької частоти, вихід якого з'єднано з керуючими входами автоматичного перемикача і синхронного детектора, та два розділових конденсатори, який відрізняється тим, що в нього додатково введено загальний заземлений електрод, два повторювача напруги, фазоінверсний каскад та низько потенційна шина, при цьому входи одного з повторювачів напруги з'єднані з опорним електродом через один розділовий конденсатор і загальним заземленим електродом, входи другого повторювача напруги з'єднані з вимірювальним електродом через другий розділовий конденсатор і загальним заземленим електродом, вхід фазоінверсного каскада, з'єднаний з виходом повторювача напруги опорного електрода, а прямий та інверсний виходи з'єднані з входами автоматичного перемикача, вихід якого з'єднаний з входом одного високочастотного підсилювача, вихід повторювача напруги вимірювального електрода з'єднаний з входом другого високочастотного підсилювача, а загальний заземлений електрод з'єднаний з низькопотенційною шиною. Корисна модель відноситься до техніки електрофізіологічних досліджень і може бути використано в біології, медицині і сільському господарстві для оцінки стану гомеостазу людини і тварин по степені кореляції шумових біострумів в біологічно активних точках живих організмів. Електрофізіологічні характеристики біологічно активних точок (БАТ), до яких відносять електричний опір, електричний потенціал, рівень регулярних і шумових біострумів і т.п., відображають інтенсивність і характер фізіологічних процесів, які відбуваються у всьому організмі. В результаті термодинамічної рівноваги носіїв електричного струму (електронів, іонів, діполей і т.п.) в БАТ, як і в інших точках біооб'єкта виникають теплові електричні флуктуації, які викликають тепловий шум. Наряду з рівноважним тепловим шумом в живому організмі протікають і нерівноважні шумові струми, обумовлені, наприклад, відкриванням і закриванням воріт іонних каналів, флуктуаціями зарядів на клітинних мембранах, зміною потенціалів спокою і активності нервових волокон, рецепторного потенціалу Гелея-Пачині т.п. В результаті сукупності випадкових електрофізіологічних процесів має місце протікання нерівноважних шумових біострумів по енергетичним меридіанам людини і тварини. Однак виявити і виміряти шумові біоструми важко на рівні рівноважного теплового шуму, який хоча і малий (сила струму 10"8-10"10 А), але суттєво перевищує нерівноважний шумовий біострум. Відомий пристрій для електрофізіологічних досліджень біооб'єктів [див. Патент України № 19726, МПК: G01 N33/48, Бюл. № 6, 1997], що містить джерела постійного і змінного струмів, з'ємні електроди з непроникаючими голками, один з яких під'єднано до джерела електростимуляції змінним струмом, інші з'єднано з джерелом постійного струму, при цьому навантажуючі резистори електродів підключено до блоку АЦП і входам комутатора, вихід якого з'єднано зі входом персонального комп'ютера. В пристрої застосовано електростимуляція змінним струмом змінної частоти, а реакція біооб'єкта вимірюється по постійній складовій біопотенціалів електродів. Обмеження спектра (0 00 ST 7866 біострумів на рівні постійної складової знижує результативність електрофізіологічних досліджень БАТ. Відомий пристрій для електрофізіологічних досліджень біооб'єктів (див. Патент України № 28128, МПК: GO1 N33/483, Бюл. № 5, 2000), що містить автоматичний перемикач, генератор низької частоти, вихід якого з'єднано з керуючим входом автоматичного перемикач, генератор надвисоких частот, який через автоматичний перемикач і прийомно-передаючу систему з'єднано з змішувачем, до виходу якого підключено послідовно з'єднані підсилювач проміжної частоти, квадратичний детектор, підсилювач низької частоти, синхронний детектор і вольтметр. В пристрої для електростимуляції використовується зовнішнє електромагнітне опромінення діапазону надвисоких частот, що небажано для людини із міркувань безпеки і дотримання санітарних норм. Крім того антенний прийом опромінення біооб'єкта не дозволяє реєструвати біоструми на частотах менше 50-100 МГц. Відомий також пристрій для електрофізіологічних досліджень біооб'єктів (див. Патент України № 60815А, MnK:G01 N33/483, Бюл. № 10, 2003 г.), що містить опорний і вимірювальний електроди, автоматичний перемикач, два високочастотних підсилювача, виходи яких з'єднано з входами перемножувача, до виходу якого підключені послідовно з'єднані фільтр нижніх частот, вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, другий фільтр нижніх частот і вольтметр, генератор низької частоти, вихід якого з'єднано з керуючими входами автоматичного перемикача і синхронного детектора, та два розділових конденсатора. Крім того, відомий пристрій містить диференційний розщеплювач на двох операційних підсилювачах, змінний резистор, термостат, в якому розміщено змінний резистор, при цьому один вхід автоматичного перемикача з'єднано із вимірювальним електродом безпосередньо, другий вхід з'єднано з опорним електродом через змінний резистор, а вихід автоматичного перемикача з'єднано з диференційним розщеплювачем. З допомогою порівняння шумових сигналів, які по черзі знімаються з біооб'єкта за допомогою електродів і підігрітого змінного резистора отримують оцінку інтенсивності шумових біострумів і визначають коефіцієнт біологічної активності досліджених БАТ, які не дозволяють отримати степінь кореляції між шумовими біотоками різних БАТ, розміщених на одному енергетичному меридіані, а також виявити електрофізіологічний зв'язок між усіма меридіанами. В основу корисної моделі покладена задача створити такий пристрій для електрофізіологічних досліджень біооб'єктів, в якому введення нових елементів і їх зв'язків полегшило б отримання інформації про степінь кореляції шумових біотоків в різних біологічно активних точках енергетичних меридіанів живих організмів, що забезпечить збільшення точності оцінки стану гомеостазу людини і тварини. Поставлена задача досягається тим, що в пристрої для електрофізіологічних досліджень біооб'єктів, який містить опорний і вимірювальний електроди, автоматичний перемикач, два високочастотних підсилювача, виходи яких з'єднано з входами перемножувача, до виходу якого підключені послідовно з'єднані фільтр нижніх частот, вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, другий фільтр нижніх частот і вольтметр, генератор низької частоти, вихід якого з'єднано з керуючими входами автоматичного перемикача і синхронного детектора, та два розділових конденсатора, згідно з корисною моделлю, у нього введено загальний заземлений електрод, два повторювача напруги, фазоінверсний каскад та низькопотенційна шина, при цьому входи одного з повторювачів напруги з'єднані з опорним електродом через один розділовий конденсатор і загальним заземленим електродом, входи другого повторювача напруги з'єднані з вимірювальним електродом через другий розділовий конденсатор і загальним заземленим електродом, вхід фазоінверсного каскада з'єднаний з виходом повторювача напруги опорного електрода, прямий і інверсний виходи з'єднані з входами автоматичного перемикача, вихід якого з'єднаний з входом одного високочастотного підсилювача, вихід повторювача напруги вимірювального електрода з'єднаний з входом другого високочастотного підсилювача, а загальний електрод з'єднаний з низько потенційною шиною. Введення в схему пристрою загального заземленого електроду, повторювачів напруги вимірювального і опорного електродів, фазоінверсного каскаду, включення автоматичного перемикача на вході одного з високочастотних підсилювачів для періодичної зміни полярності шумової напруги, що перемножується з другою шумовою напругою, дозволяє перетворювати корельовані складові шумових напруг електродів в знакозмінну постійну напругу, яка змінюється періодично з низькою частотою на виході усереднюючого фільтра перемножувача. При цьому корельовані шуми високочастотних підсилювачів формуються в постійну напругу на виході усереднюючого фільтра перемножувача без зміни знака, а некорельовані шуми високочастотних підсилювачів і некорельовані шуми електродів в результаті перемноження і усереднення дають нульову напругу. В результаті виділення інформативних корельованих складових шумових напруг вимірювального і опорного електродів відносно загального заземленого електрода зводиться до вибіркового підсилення низькочастотної складової змінної напруги, амплітуда якої відображає степінь взаємної кореляції шумових біострумів в різних біологічно активних точках енергетичних меридіанів живих організмів, що забезпечить збільшення точності оцінки стану гомеостазу людини і тварини. На кресленні представлена функціональна схема пристрою для електрофізіологічних досліджень біооб'єктів. Пристрій містить загальний заземлений електрод 1, з'єднаний з низькопотенційною шиною 2 пристрою, опорний 3 і вимірювальний 4 електроди, які через розділові конденсатори 5 і 6 з'єднані з 7866 входами повторювачів напруги 7 і 8. Фазоінверсний каскад 9 входом підключено до виходу повторювача напруги 7, а його прямий і інверсний виходи з'єднані з входами автоматичного перемикача 10. Вихід автоматичного перемикача 10 через високочастотний підсилювач 11, а вихід повторювача напруги 8 через високочастотний підсилювач 12 з'єднано з входами перемножувача 13. До виходу перемножувача 13 підключено послідовно з'єднані фільтр 14 нижніх частот, вибірковий підсилювач 15 низької частоти, налагоджений на частоту генератора 16 низької частоти, синхронний детектор 17, другий фільтр 18 нижніх частот і вольтметр 19, автоматичний перемикач 10 з'єднай з генератором 16 низької частоти, позицією 20 відображено досліджувальний біологічний об'єкт. Пристрій працює наступним чином. Загальний заземлений електрод 1 виконано у вигляді затискача, що приєднують до руки або ноги досліджуваної людини в залежності від топографії досліджувального меридіана. Опорний електрод 3 розміщено в першій БАТі меридіана, а вимірювальний електрод 4 послідовно переміщається по траєкторії БАТ досліджувального меридіана (БАТ2, ...БАТП). В живому організмі людини або тварини в кожній БАТ є електрична шумова напруга від теплових флуктуацій елементарних носіїв струму (електронів, іонів) і шумові напруги від сукупності одиничних електрофізіологічних реакцій (відкривання-закривання іонних каналів, зарядрозряд клітинних мембран, активність і пасивність нейронів і т.п.). Дисперсія теплового шуму визначається формулою Найквіста: U? =4kAfRT, (1) де Uf - середній квадрат напруги (дисперсія) теплових шумів; k - постійна Больцмана; Af - діапазон частот, в якому вимірюється дисперсія шуму; R - електричний опір БАТ; Т - термодинамічна температура БАТ. Теплові шуми із-за незалежності флуктуаціонних процесів, які протікають у клітинах та міжклітинному просторі різних БАТ, між собою некорельовані. Біологічний шум, як наслідок множини одиничних електрофізіологічних процесів в організмі також має стохастичний характер, але на відміну від теплового шуму корельований в різних степенях на одному енергетичному меридіані. Більш слабкий кореляційний зв'язок має місце між біологічними шумовими напругами БАТ різних меридіанів, але одного і того ж організму. Математичну модель біологічного шуму, інтенсивність якого підвищується із збільшенням температури і пропорційна опору БАТ, можна побудувати на основі формули Найквіста з врахування електрофізіологічної активності органів і тканин, енергетичне зв'язаних одним меридіаном. Тому дисперсію біологічного шуму оцінюють відношенням, аналогічним формулі (1), але з врахуванням електрофізіологічної активності БАТ: ЦІ = 4aekAfRT, (2) де Uf - середній квадрат напруги (дисперсія біологічного шуму); аз - коефіцієнт фізіологічної активності БАТ. Біологічний шум ІІБ^) І тепловий шум U-r(t) між собою некорельовані ні в одній із БАТ організму. Опорним 3 і вимірювальним 4 електродами із БАТі і БАТ2 відносно загального заземленого електроду 1 знімають сумарні напруги, які представляють собою адитивну суміш теплового і біологічного шумів. Вихідна напруга повторювача опорної напруги 7 опорного електроду 3 за допомогою фазоінверсного каскаду 9 розділяється на дві напруги, амплітуди яких рівні, але різнополярні. Якщо шумові напруги UTO) І ІІБ^), ЯКІ знімаються з електродів 3 і 4, представити в комплексному вигляді, то на прямому виході фазоінверсного каскаду 9, з'єднаного з опорним електродом 3, маємо сумарну комплексну напругу виду и;=и т 1 +и Б 1 1 (з) а на інверсному виході цього каскаду напругу протилежного знаку и;'=-и т1 -и Б1 ,(4) де індекс «1» означає першу (опорну) точку меридіана. Шумова напруга на виході повторювача напруги 8, який з'єднано з вимірювальним електродом 4, має аналогічний вигляд 0 2 = и Т 2 + и Б 2 , (5) де - індекс „2" відноситься до БАТ2, яка знаходиться по ходу досліджуваного меридіана. Опорні напруги (3) і (4) по черзі через автоматичний перемикач 10 поступають на високочастотний підсилювач 11, а вимірювальна напруга (5) безперевно поступає на високочастотний підсилювач 12. Підсилені напруги діють на входи перемножувача 13, вихідна напруга якого усереднюється фільтром 14 нижніх частот. При одному положенні автоматичного перемикача 10 вихідна усереднена напруга фільтра 14 нижніх частот дорівнює ЦІ = k 3 m[k 2 (U T2 + 0 Б 2 ) + и ш 2 ] Ми-п +и Б 1 )+и ш 1 ]+и с , (6) де m - масштабний коефіцієнт перемножувача 13; кі і к2 - коефіцієнти підсилення високочастотних підсилювачів 11 і 12; ^ші' ^ш2' власні шуми високочастотних підсилювачів 11 і 12 на їх виходах; к 2 - коефіцієнт передачі фільтра 14 нижніх частот; U c - напруга зміщення нуля на виході перемножувача 13. В протилежному положенні автоматичного перемикача 10 вихідна усереднена напруга фільтра 14 нижніх частот Ц;'=к 3 т[к 2 (0 Т 2 + 0 Б 2 )+0 ш 2 ] М - О л - C U + U j + U c (7) При перемножуванні напруг, які входять у вирази (6) і (7), і їх усереднення, слід враховувати, що теплові шуми в різних БАТ між собою не корельовано. власні шуми двох високочастотних підсилювачів мають як некорельовану, так і корельовану складову. 7866 БІОЛОГІЧНИЙ шум в різних БАТ з різною стелінню кореляції можна також розглядати як суму корельованих і некорельованих складових При цьому біологічний шум, як і тепловий шум, некорельований з власними шумами високочастотних підсилювачів 11 і 12 Добуток напруг некорельованих шумів при достатньо великому часі усереднення, як відомо, наближається до нуля Усереднений добуток напруг корельованих шумів дає постійну складову напруги 3 врахуванням цього на виході фільтра 14 нижніх частот при одному положенні автоматичного перемикача 10 будемо мати постійну складову від корельованих шумів виду де р ш - коефіцієнт взаємної кореляції власних шумів високочастотних підсилювачів 11 112, Рі_2 коефіцієнт взаємної кореляції біологічних шумів БАТі і БАТг ЦБ11 п^ середньоквадратична напруга біологічних шумів В іншому положенні автоматичного перемикача 10 через зміну полярності напруги корельованих біологічних шумів (4) відносно (3) постійна складова напруги змінюється до значення Зміна полярності теплового шуму на виході фазоінверсного каскаду 9 не буде впливати на результат добутку (9), так як теплові шуми між собою некорельовані, а добуток корельованих шумів високочастотних підсилювачів 11 і 12 не залежать від положення автоматичного перемикача 10 Постійна напруга на виході фільтра 14 нижніх частот змінюється періодично від відношення (8) до значення (9) з частотою переключення автоматичного перемикача 10, який керується напругою генератора 16 низької частоти Змінна складова цієї напруги представляє собою прямокутну напругу низької частоти U 4 (t) = ^ т к ^ г Р г ^ п Б г п Б і sing sin 27iFt, (10) де F - частота переключення автоматичного перемикача 10, sing sin 2rcFt - прямокутна напруга типа "меандр" Змінна напруга (10) підсилюється вибірковим підсилювачем низької частоти 15, який налагоджено на частоту F генератора 16 низької частоти Підсилена напруга випрямляється синхронним детектором 17, який також керується напругою генератора 16 низької частоти Випрямлена напруга згладжується другим фільтром 18 нижніх частот і поступає на вольтметр 19 Вимірювана вольтметром напруга складає U 5 = k5k4k3mk-|k2pi 2^2^51- ( 1 1 ) де к4 - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача 15, к 5 - коефіцієнт передачі фільтра 18 нижніх частот 8 Далі вимірювальний електрод 4 переміщують в БАТз і вимірюють напругу від корельованої складової біологічного шума цієї точки де рі_ 3 коефіцієнт взаємної кореляції біологічних шумів БАТ) І БАТЗ Переміщуючи вимірювальний електрод 4 послідовно в точки 4, 5, 6 п, отримуємо шумові напруги цих БАТ U n =k 5 k4k 3 mk 1 k 2 p 1 Д ^ Ц и . (13) де індекс «і» означає одну із п біологічно активних точок, які знаходяться на досліджуваному меридіані Із отриманого виразу (13) видно, що по вимірюваним напругам можна прослідити степінь енергетичного звязку між усіма БАТ одного меридіану (коефіцієнт взаємної кореляції р 1 н ) і оцінити його енергетичну повноту Для виключення впливу нестабільності параметрів вимірювальної схеми (кі, к2 к5, т ) на результат аналізу проводять нормування отриманих в БАТ, напруг (13) Для цього вимірювальний електрод 4 електрично зєднують з опорним електродом 3 в БАТі В цьому випадку тепловий і біологічний шум однієї БАТі діє на два повторювана напруги 7 і 8 і підсилюється високочастотними підсилювачами 11 і 12 в однаковій мірі При цьому тепловий шум стає корельованим ( р т = 1), так як він виходить із одної БАТ БІОЛОГІЧНИЙ шум також стає більш корельованим (р-|_і = 1) з тої самої причини Враховуючи, що добуток однакових корельованих сигналів з послідуючим усередненням дає їх дисперсію, а тепловий шум навіть в одній БАТ некорельований з біологічним шумом, отримаємо Ui-i=k 5 k4k 3 mk 1 k 2 (D T 2 +D|) (14) В любій із БАТ живого організму тепловий шум значно перевищує біологічний иг>иБ)Тому квадратом (дисперсією) біологічного шуму в виразі (14) можна знехтувати Тоді шумова напруга БАТі U 1 _ 1 =k 5 k 4 k 3 mk 1 k 2 U r 2 (15) Нормування напруг (13) проводиться шляхом поділу всіх отриманих напруг в БАТ, на напругу (15) опорного електрода 3 Нормовані напруги приймають вид Якщо в вираз (16) підставити значення дисперсії теплового шуму із виразу (1), а середньоквадратичне значення біологічного шуму знайти із виразу (2), то кінцеве значення приймає вигляд Коефіцієнти взаємної кореляції між біологічним шумом БАТі і біологічними шумами всіх інших БАТ, меридіана визначають з врахуванням значень коефіцієнтів фізіологічної активності за формулою 7866 Pn = и ае ае і-іл/ і і ' де азі, аэг аэ, аэп - коефіцієнти фізіологічної активності всіх досліджуваних БАТ, Таким чином, на початку вимірюються всі шумові напруги в БАТ,, корельовано відносно напруги початкової точки меридіану (Ui,) при переміщенні вимірювального електрода 4 відносно опорного електрода 3 Потім вимірюється напруга в початковій точці меридіана (Ui 1) з'єднанням вимірювального електрода 4 з опорним електродом 3 Визначаються коефіцієнти фізіологічної активності всіх БАТ, Коефіцієнти взаємної кореляції рі_| рахують за формулою (18) Як видно із формули (18) значення коефіцієнтів взаємної кореляції р 1 н не залежать від нестабільності параметрів вимірювальної схеми, зміщення нуля перемножувача шумових напруг, 10 некорельованих і корельованих шумів високочастотних підсилювачів та інших перешкод Досліди показали, що в частотному діапазоні 0,5-10 МГц і спектральної густини потужності біологічного шуму порядку 10 2 0 -10 2 1 Вт/Гц коефіцієнт взаємної кореляції всіх БАТ на одному меридіані змінюється від 0,65 до 0,97 при коефіцієнті фізіологічної активності БАТ 0,47-0,62 Коефіцієнт взаємної кореляції з БАТ інших меридіанів не перевищує 0,35-0,45 При захворюванні людини, наприклад, запалення легенів, коефіцієнти взаємної кореляції шумів БАТ меридіана легенів знижується на 25-30 %, а коефіцієнти фізіологічної активності із-за запалення ВІДПОВІДНО збільшуються на 35-40 % Чим більш стабільний гомеостаз людини, тим більш високі значення коефіцієнта взаємної кореляції між шумами БАТ при досліджуванні біологічного шуму в різних меридіанах 11 Комп'ютерна верстка М. Клюкін 7866 Підписне 12 Тираж 28 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 - 4 2 , 01601