устройство для измерения коэффициента поляризации биологических тканей

Формула изобретения

Устройство для измерения коэффициента поляризации биологических тканей, содержащее генераторы низкой и высокой частоты, два токовых электрода, первый коммутатор, измерительный усилитель и блок индикации, отличающееся тем, что в него введены второй коммутатор, выполненный в виде селектора, детекторы низкой и высокой частоты, генератор синхроимпульсов, стабилизатор тока, два потенциальных электрода, размещенные совместно с токовыми электродами в измерительном щупе, измеритель отношения низкочастотного и высокочастотного импедансов, а измерительный усилитель выполнен широкополосным и его входы подключены соответственно к потенциальным электродам, а выход к информационному входу селектора, выходы которого через соответствующие детектор низкой частоты и детектор высокой частоты подключены к входам измерителя отношения низкочастотного и высокочастотного импедансов, выход которого соединен с входом блока индикации, а выходы генератора низкой и высокой частоты подключены к соответствующим информационным входам первого коммутатора, выход которого через стабилизатор тока подключен к токовым электродам, причем управляющие входы первого коммутатора и селектора соединены с выходом генератора синхроимпульсов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к биофизике и медицинской технике и может быть использовано в экспериментальной медицине и в клинике для определения функционального состояния биологических тканей и органов, в частности жизнеспособности. Изобретение позволяет непосредственно измерить коэффициент поляризации биологических тканей, то есть отношение низкочастотного и высокочастотного импедансов и по ее величине судить о функциональном состоянии ткани или о ее жизнеспособности.

Известны методы и устройства для определения состояния биологических тканей, в которых физиологическое состояние ткани определяют по показателям структурной поляризации.

Известно устройство для определения состояния биологических объектов "Тонус-2", позволяющее поочередно измерять импеданс биологических объектов на низкой и высокой частотах. Используя результаты измерения на низкой и высокой частотах можно рассчитать коэффициент поляризации биологической ткани K R_нч/R_вч, то есть отношение сопротивления, измеренного на низкой частоте к высокочастотному сопротивлению. По величине коэффициента поляризации биологической ткани можно судить о физиологическом состоянии тканей, в частности о ее жизнеспособности. Устройство содержит генераторы высокой и низкой частот, коммутатор, истоковый повторитель, два электрода для включения исследуемого объекта, усилитель, прецизионный выпрямитель, схему компенсации, нуль-орган, генератор пилообразного напряжения, блок управления, блок связи с транскриптором, блок цифровой индикации.

Использование в кондуктометре "Тонус-2" двухэлектродного метода измерений с дифферентным и индифферентным электродами приводит к тому, что электропроводность исследуемого объекта определяется в основном размерами меньшего, дифферентного, электрода и приэлектродными свойствами биологической ткани. Так как плотность тока уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от дифферентного электрода, то практически измеренная величина сопротивления R или импеданса Z будет в значительной степени определяться сопротивлением слоя кожи при измерениях на поверхности тела или сопротивлением капсул и серозных оболочек органов при интраоперационных измерениях. Использование одних и тех же электродов в качестве токовых и для измерения падения напряжения приводит к тому, что результаты измерений включают и погрешности, обусловленные приэлектродными поляризационными явлениями, которые особенно значительны на низкой частоте. Применение различных электропроводящих паст лишь усложняет процедуру измерений и не исключает поляризационных явлений. Поэтому величина измеряемого коэффициента поляризации очень сильно зависит от приэлектродной поляризации и практически определяется суммой поляризационных явлений объемных свойств исследуемой ткани и приэлектродной поляризации.

Зависимость результатов измерений от силы прижима дифферентного электрода, непостоянство его свойств во времени значительно снижает достоверность определения состояния биологических тканей. Эту сильную зависимость результатов измерений от дифферентного электрода усугубляет длительность процедуры измерений, связанная с необходимостью ручной коммутации генераторов низкой и высокой частот и поочередного измерения и записи показаний низкочастотного и высокочастотного импедансов. При этом возможны изменения положения электрода или силы прижима, обусловленные движениями экспериментатора во время измерений. При проведении измерений на живых объектах происходит изменение приэлектродных свойств и нестабильность измерений, вызванные, например, дыхательными движениями или пульсовыми волнами исследуемого объекта. Ясно, что при определении физиологического состояния тканей и органов по величине коэффициента поляризации, результаты измерений не должны зависеть от свойств электродов или их нестабильности, обусловленных физиологическими факторами.

Задача предлагаемого устройства исключение влияния физиологических факторов на точность измерения коэффициента поляризации биологических тканей и сокращение времени измерений.

Решение данной задачи достигается тем, что в устройство для измерения импеданса биологических объектов, содержащее генераторы низкой и высокой частот, два токовых электрода, электронный коммутатор, измерительный усилитель и блок индикации, введены второй коммутатор, выполненный в виде селектора, детекторы низкой и высокой частот, генератор синхроимпульсов, стабилизатор тока, два потенциальных электрода, размещенные совместно с токовыми электродами в измерительном щупе, и измеритель отношения низкочастотного и высокочастотного импедансов.

На чертеже представлена функциональная блок-схема устройства для измерения коэффициента поляризации биологических тканей.

Устройство содержит генератор тока низкой частоты 1, генератор тока высокой частоты 2, электронный коммутатор зондирующего тока 3, стабилизатор измерительного тока 4, выносной измерительный щуп с раздельными токовыми и потенциальными электродами 5, широкополосный измерительный усилитель 6, электронный коммутатор аналоговых сигналов (селектор) 7, тактовый генератор синхроимпульсов 8, детектор низкочастотного сигнала 9, детектор высокочастотного сигнала 10, измеритель отношения низкочастотного и высокочастотного импедансов 11, блок индикации 12.

Устройство для измерения коэффициента поляризации биологических тканей работает следующим образом.

Измерительным щупом 5, на котором находятся токовые и потенциальные электроды, касаются поверхности исследуемой ткани. С генератора низкой частоты 1 синусоидальный ток с частотой 3 кГц и с генератора высокой частоты 2 синусоидальный ток с частотой 300 кГц поступают на электронный коммутатор зондирующего тока 3. Электронный коммутатор зондирующего тока 3 поочередно подключает выходы генераторов низкой и высокой частот к электронному стабилизатору измерительного тока 4. К выходу электронного стабилизатора измерительного тока 4 подключены токовые электроды (крайние) измерительного щупа 5. Таким образом, через крайние, токовые электроды в биологическую ткань поочередно поступают пачки импульсов синусоидального измерительного тока низкой и высокой частот одинаковой амплитуды. Частота переключения тока низкой и высокой частот задается тактовым генератором синхронизирующих импульсов 8 и составляет 100 Гц, то есть время действия низкочастотного и высокочастотного сигналов составляет 10 мс. Со средних, потенциальных, электродов щупа 5, находящихся в контакте с биологической тканью, снимается переменное синусоидальное напряжение, частота которого поочередно меняется на низкую и высокую через каждые 5 мс, а амплитуда является функцией электропроводности исследуемой биологической ткани на данной частоте. Таким образом, переменное напряжение, состоящее из чередующихся пачек низкочастотного и высокочастотного сигналов, с различной амплитудой поступает на вход широкополосного усилителя 6. Усиленное напряжение с выхода широкополосного усилителя 6 поступает на электронный коммутатор сигналов (селектор) 7, частота переключения которого синхронизована с работой электронного коммутатора зондирующего тока 3 в генераторной части устройства. Синхронное управление электронными коммутаторами 3 и 7 осуществляется с помощью генератора тактовых импульсов 8. На выходе электронного коммутатора (селектора) 7 разделенные низкочастотный и высокочастотный сигналы детектируются выпрямителем низкочастотного сигнала 9 и выпрямителем высокочастотного сигнала 10. Продетектированные низкочастотный и высокочастотный сигналы поступают на измеритель отношения низкочастотного и высокочастотного импедансов 11, с выхода которого напряжение, пропорциональное отношению R_нч/R_вч, подается на вход усилителя постоянного тока и величину коэффициента поляризации K R_нч/R_вч можно определить по показаниям измерительного микроамперметра.

Генераторная часть устройств состоит из двух отдельных самостоятельных генераторов низкой и высокой частот, настроенных соответственно на частоты 3 кГц и 300 кГц. Генератор низкой частоты собран на аналоговой интегральной микросхеме типа К140УД708. Генератор высокой частоты собран по аналогичной схеме с использованием аналоговой микросхемы К544УД2А. В высокочастотном и низкочастотном генераторах предусмотрена возможность регулировки амплитуды выходного напряжения для настройки прибора. Сигналы с выхода генератора низкой и высокой частот подаются на электронный коммутатор зондирующего тока, который выполнен на микросхеме типа К284КН1Б. К выходу электронного коммутатора подключен стабилизатор зондирующего (измерительного) тока, собранный на микросхеме типа К544УД2А. К выходу электронного стабилизатора тока подключаются токовые электроды измерительного щупа.

Измерительная часть устройства для определения коэффициента поляризации биологических тканей состоит из широкополосного усилителя с дифференциальным входом собранного на микросхемах типа К544УД2А. Усиленный сигнал, состоящий из чередующихся пачек низкочастотного и высокочастотного синусоидальных напряжений, амплитуда которого является функцией электропроводности биообъекта, на данной частоте поступает на вход электронного коммутатора (селектора), собранного на микросхеме типа К248КН1Б. Частота переключений электронного коммутатора (селектора) в измерительной части устройства синхронизирована с частотой переключений электронного коммутатора зондирующего тока в генераторной части устройства. Разделенные пачки импульсов низкочастотного и высокочастотного сигналов поступают соответственно на детекторы низкой и высокой частот, выполненные по стандартной схеме. Постоянная составляющая продетектированных сигналов низкочастотного и высокочастотного напряжения поступают в измеритель отношения низкочастотного и высокочастотного импедансов, выполненный на двух микросхемах типа К140УД708 и двух полевых транзисторах типа К303В. Принцип действия вычислителя основан на линейной зависимости проводимости канала полевого транзистора от напряжения на его затворе. Включение транзистора в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя приводит к обратно пропорциональной зависимости его коэффициента усиления по низкочастотному напряжению (с выхода низкочастотного детектора) от приложенного к затвору напряжения (с выхода высокочастотного детектора), то есть приводит к функции K U_нч/U_вч. С выхода измерителя отношения низкочастотного и высокочастотного импедансов сигнал, пропорциональный отношению низкочастотного и высокочастотного сопротивлений биообъекта R_нч/R_вч, поступает на усилитель постоянного тока, выполненный на микросхеме типа УД708. Величина "коэффициента поляризации", то есть отношение низкочастотного сопротивления биологической ткани к высокочастотному сопротивлению, определяется по показаниям стрелочного магнитоэлектрического индикатора.

Синхронное управление электронными ключами в генераторной и в измерительной частях устройства осуществляется с помощью генератора прямоугольных импульсов, выполненного на двух микросхемах. Частота следования симметричных прямоугольных импульсов 100 Гц. Таким образом, длительность измерения на низкой и высокой частотах составляет 1/200 с, то есть 5 мс.

Использование четырехэлектродной схемы измерений и электронная коммутация в предлагаемом устройстве ускорили процесс измерения и обработки данных низкочастотной и высокочастотной электропроводности таким образом, что результаты измерения коэффициента поляризации биологического объекта, а следовательно, и функционального состояния тканей и органов не зависят от силы прижима электродов или колебаний, связанных с ритмом дыхания или пульсовыми волнами.

Предлагаемое техническое решение позволяет быстро и с высокой точностью определять физиологическое состояние тканей и органов (жизнеспособность) и может найти широкое применение при интраоперационной диагностике различных заболеваний.