устройство для измерения электрокожного сопротивления

Формула изобретения

Устройство для измерения электрокожного сопротивления, содержащее два усилителя, измерительный электрод, подключенный к первому входу первого усилителя, два пассивных электрода, три электронных ключа, компаратор, выход которого через первый электронный ключ соединен со входом первого блока памяти, второй блок памяти, первый мультивибратор и регистратор, отличающееся тем, что в него введены управляемый делитель напряжений, второй мультивибратор и коммутатор, первый вход которого подключен ко второму пассивному электроду, два калиброванных резистора, амплитудный детектор, выход которого через управляемый делитель напряжений соединен со входом второго усилителя, эталонный источник напряжения, при этом второй вход коммутатора подключен к первым выводам калиброванных резисторов и выходу третьего электронного ключа, первый вход которого подключен к выходу первого мультивибратора, а второй вход - к первому пассивному электроду и второму выводу первого калиброванного резистора, второй вывод второго калиброванного резистора соединен с первым входом первого усилителя, выход которого подключен ко входу амплитудного детектора, а второй вход - к выходу коммутатора, третий вход коммутатора подключен к первому выходу второго мультивибратора и первому входу первого электронного ключа, выход эталонного источника напряжения подключен к первому входу компаратора, выход первого блока памяти соединен со вторым входом управляемого делителя напряжений, второй выход второго мультивибратора подключен к первому входу второго электронного ключа, второй вход которого подключен к выходу второго усилителя и второму входу компаратора, а выход через второй блок памяти соединен с регистратором.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для измерения электрокожного сопротивления в точках акупунктуры, используемым при электропунктурных диагностических исследованиях.

Достоверность диагностических исследований в значительной степени зависит от погрешностей измерения электрокожного сопротивления, которые в основном определяются используемыми методами измерений и приборами, и не должны превышать минимальных регистрируемых информативных изменений измеряемых параметров. Считая минимальные регистрируемые информативные изменения электрокожного сопротивления при электропунктурных диагностических методах равными 5 - 10% измеряемого значения сопротивления, можно определить суммарную допустимую погрешность измерений электрокожного сопротивления, которая не должна превышать для достоверной оценки результатов одного процента в широком диапазоне возможных значений электрокожных сопротивлений, определяемом значениями 10 - 500 кОм (см. Voll. R. Arbeitsrichlinien fur die Elektroakupunktur. - Hamburg, Blume, 1963).

Известно устройство для измерения электрокожного сопротивления по а.с. СССР N 1215202, кл. A 61 H 39/02, заявл. 28.06.84 г., содержащее три электрода, задатчик тока, соединенный с первым электродом, регистратор, соединенный с первым и вторым электродами, дифференциальный усилитель, выход которого соединен с третьим электродом, инвертирующий вход соединен с вторым электродом, а неинвертирующий - с вторым выходом задатчика тока, третий выход которого соединен с третьим входом регистратора.

В известном устройстве - аналоге через электрокожное сопротивление пропускается измерительный ток постоянной амплитуды со значениями, достигающими единиц микроампер, и измерение электрокожного сопротивления осуществляется по падению напряжения на искомом сопротивлении. При этом на исследуемом участке кожного покрова может создаваться достаточно большая разность потенциалов достигающая нескольких вольт. В результате чего возможен пробой мембран клеток кожного покрова а также нарушение интактности точек акупунктуры, и как следствие этого, несоответствие получаемых значений сопротивлений истинным значениям, что определяет погрешности измерения.

Таким образом, основным недостатком известного устройства - аналога является недостаточная точность измерения электрокожного сопротивления.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предложенному техническому решению является устройство для поиска точек акупунктуры по а.с. СССР N 1060185, кл. A 61 H 39/02, заявл. 11.08.82 г., содержащее усилитель, к первому входу которого подключен измерительный электрод и первый выход управляемого резистора, вход которого соединен с выходом блока согласования, первый пассивный электрод, подключенный ко входу повторителя напряжений, второй пассивный электрод, соединенный с общей шиной, повторитель напряжения, вход которого соединен с первым пассивным электродом, первый электронный ключ, первый выход которого соединен с выходом повторителя напряжения и вторым входом усилителя, а второй выход - со вторым выходом управляемого резистора, второй усилитель, первый и второй регистраторы, последовательно соединенные второй электронный ключ, третий усилитель, первый блок памяти, компаратор, третий электронный ключ и второй блок памяти, мультивибратор, две схемы совпадений и триггер, вход которого подключен к выходу мультивибратора и первым входам схем совпадений, первый выход которого соединен со входом первого электронного ключа и вторым входом второй схемы совпадения, а второй выход - со вторым входом первой схемы совпадений, выход которой подключен ко входу второго электронного ключа, выход усилителя соединен с выходом второго электронного ключа и через второй усилитель со вторым входом компаратора, выход второго блока памяти соединен со входом блока согласования и вторым регистратором, выход второй схемы совпадения соединен со входом третьего электронного ключа, а первый регистратор - с выходом первого блока памяти.

Названное устройство выбрано в качестве прототипа заявленного устройства как совпадающее с ним по максимальному числу признаков.

В устройстве - прототипе измерение электрокожного сопротивления осуществляется при минимальном значении постоянного измерительного тока, определяемого разностью электрокожных потенциалов, электрокожными сопротивлениями и сопротивлением управляемого резистора, что обеспечивает уменьшение погрешностей измерений за счет влияния измерительного тока на состояние кожного покрова. При этом использование постоянного измерительного тока приводит к появлению поляризационных потенциалов, изменяющих регистрируемые разности электрокожных потенциалов в процессе измерительных тестов, а следовательно, к появлению погрешностей измерений, определяемых как длительностью процесса исследований, так и используемыми для измерения электродами.

Кроме того в устройстве - прототипе измерение электрокожных сопротивлений осуществляется по значениям сопротивления управляемого резистора, изменяемого пропорционально электрокожному сопротивлению. При этом значение сопротивления управляемого резистора определяется по управляющему напряжению, подаваемому на вход согласующего устройства. В качестве управляемого резистора в устройстве используется полупроводниковый транзистор (биполярный или полевой), обладающий значительной нелинейностью изменения сопротивления от управляющего напряжения в широком диапазоне изменения сопротивлений. В результате этого даже при использовании специального линеаризирующего согласующего устройства возникают значительные трудности получения линейной характеристики управления сопротивлением, что необходимо для построения высокоточных измерительных устройств.

Это снижает точность измерения электрокожного сопротивления при использовании устройства - прототипа, а также вводит значительные ограничения при обеспечении высокой повторяемости параметров приборов. При этом сложность настройки апроксимирующих звеньев и низкая повторяемость параметров при массовом производстве приборов дополнительно определяют погрешности измерения электрокожного сопротивления устройства - прототипа.

Таким образом, недостатки известных устройств определяются недостаточной точностью измерения электрокожного сопротивления.

Целью изобретения является устранение отмеченных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения электрокожного сопротивления, содержащее два усилителя, измерительный электрод, подключенный к первому входу первого усилителя, два пассивных электрода, три электронных ключа, компаратор, выход которого через первый электронный ключ соединен со входом первого блока памяти, второй блок памяти, первый мультивибратор и регистратор, введены управляемый делитель напряжений, второй мультивибратор и коммутатор, первый вход которого подключен ко второму пассивному электроду, два калиброванных резистора, амплитудный детектор, выход которого через управляемый делитель напряжений соединен со входом второго усилителя, эталонный источник напряжения, при этом второй вход коммутатора подключен к первым выводам калиброванных резисторов и выходу третьего электронного ключа, первый вход которого подключен к выходу первого мультивибратора, а второй вход - к первому пассивному электроду и второму выводу первого калиброванного резистора, второй вывод второго калиброванного резистора соединен с первым входом первого усилителя, выход которого подключен ко входу амплитудного детектора, а второй вход - к выходу коммутатора, третий вход коммутатора подключен к первому выходу второго мультивибратора и первому входу первого электронного ключа, выход эталонного источника напряжения подключен к первому входу компаратора, выход первого блока памяти соединен со вторым входом управляемого делителя напряжений, второй выход второго мультивибратора подключен к первому входу второго электронного ключа, второй вход которого подключен к выходу второго усилителя и второму входу компаратора, а выход через второй блок памяти соединен с регистратором.

При таком выполнении устройства для измерения электрокожного сопротивления за счет введения коммутатора, двух калиброванных резисторов, амплитудного детектора, блока памяти, второго мультивибратора и источника эталонного напряжения обеспечивается возможность периодического изменения значения измерительного тока и измерения электрокожного сопротивления на переменном токе заданной частоты, что позволяет повысить точность измерения за счет исключения составляющих погрешностей от поляризационных процессов и обеспечения линейности преобразования измеряемого сопротивления в выходное напряжение.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство содержит объект исследования (участок кожного покрова), представленный в виде узла 1 (эквивалентной схемы замещения участка кожного покрова), измерительный электрод 2, первый и второй пассивные электроды 3, 4, калиброванные резисторы 5, 6, третий электронный ключ 7, первый усилитель 8, коммутатор 9, первый мультивибратор 10, амплитудный детектор 11, управляемый делитель 12 напряжений, первый блок 13 памяти, второй электронный ключ 14, второй усилитель 15, второй блок 16 памяти, второй мультивибратор 17, эталонный источник 18 напряжения, компаратор 19, первый электронный ключ 20 и регистратор 21.

Схема 1 замещения кожного покрова представлена в виде модели Шеффера без учета ввиду малого значения сопротивления подкожных тканей (см. Macs Phillippe. Изучение импеданса кожи человека для низкочастотных токов.- These. dat. Ing. Univ. Nancy, 1973, - 96 p.), где E₁, E₂ и E₃ - электрокожные потенциалы, а Z_x, Z₁ и Z₂ - электрокожные сопротивления в точках расположения измерительного электрода 2 - (Al - точке акупунктуры) и пассивных электродов 3, 4 (в индифферентных точках кожного покрова A₂ и A₃), соответственно.

Калиброванные резисторы 5 и 6 предназначены для создания в цепи между электродами 2, 3 измерительного тока, значение которого периодически изменяется при изменении суммарного сопротивления цепи, состоящей из включенных последовательно резисторов 5, 6, за счет периодического замыкания электронным ключом 7 калиброванного резистора 5. В качестве калиброванных резисторов используются точные постоянные резистора типа ПТМН-0,5 с сопротивлением 50 - 500 кОм, выбираемые в зависимости от заданного диапазона измерений и необходимого значения измерительного тока.

Третий электронный ключ 7 обеспечивает возможность периодического изменения суммарного значения сопротивления электрической цепи между электродами 2, 3 за счет замыкания и размыкания выводов калиброванного резистора 5. Ключ выполнен на одном элементе микросхемы К176КТ1.

Первый усилитель 8 представляет собой дифференциальный усилитель постоянного тока с большим входным сопротивлением (100 МОм и более) для исключения его влияния на измерительную цепь и предназначен для усиления разности потенциалов между его первым и вторым входами. Усилитель выполнен на двух микросхемах К140УД1208 и одной микросхеме К154УД1 в виде масштабного дифференциального усилителя.

Коммутатор 9 предназначен для переключения второго входа первого усилителя 8 с цепи второго пассивного электрода 4 в цепь соединения калиброванных резисторов 5, 6 при поступлении на его третий вход управляющего сигнала с первого выхода второго мультивибратора 17. Коммутатор 9 выполнен на двух элементах микросхемы К176КТ1 и одном элементе микросхемы К176ЛН1.

Первый мультивибратор 10 предназначен для выработки сигнала, обеспечивающего периодическое включение третьего электронного ключа 7. Период следования импульсов мультивибратора 10 определяет частоту измерительного сигнала F, на которой проводится измерение электрокожного сопротивления и выбирается большим суммарного времени переходных процессов, определяемых перезарядом емкостей полных электрокожных сопротивлений в точках A₁, A₂ кожного покрова при замыкании и размыкании калиброванного резистора 5. Он выполнен на микросхеме К561ЛА7.

Амплитудный детектор 11 предназначен для выделения напряжений, равных амплитуде переменных составляющих напряжений, формируемых на выходе усилителя 8. Он выполнен на двух микросхемах К154УД1 и диодах КД522А.

Управляемый делитель 12 напряжений предназначен для изменения входного напряжения второго усилителя 15 по управляющему напряжению, подаваемому с выхода первого блока 13 памяти. Управляемый делитель 12 выполнен по схеме делителя напряжений на постоянном резисторе и управляемом полупроводниковом сопротивлении, в качестве которого использован полевой транзистор КП103М1.

Первый блок 13 памяти предназначен для запоминания выходного напряжения компаратора 19, подаваемого на блок памяти при включении первого электронного ключа 20. Он выполнен в виде запоминающего конденсатора.

Второй электронный ключ 14 предназначен для подключения входа второго блока 16 памяти к выходу второго усилителя 15 в моменты времени при воздействии на его первый вход управляющего сигнала со второго выхода второго мультивибратора 17. Электронный ключ выполнен аналогично электронному ключу 7 на элементе микросхемы К176КТ1.

Второй усилитель 15 предназначен для усиления подаваемых на его вход постоянных напряжений с выхода управляемого делителя 12 напряжений. Он выполнен в виде масштабного усилителя постоянного тока на микросхеме типа К154УД1.

Второй блок 16 памяти предназначен для запоминания выходного напряжения второго усилителя 15 в моменты времени при включении электронного ключа 14, пропорционального измеряемому значению электрокожного сопротивления. Блок выполнен аналогично блоку 13 памяти.

Мультивибратор 17 предназначен для выработки сигналов, управляющих работой первого 20 и второго 14 электронных ключей и коммутатора 9. Период колебаний мультивибратора выбран, как минимум, в два раза больше периода сигнала первого мультивибратора 10. Мультивибратор 17 выполнен аналогично мультивибратору 10 на микросхеме К176ЛЕ5.

Источник 18 эталонного напряжения предназначен для формирования заданного эталонного напряжения, подаваемого на второй вход компаратора 19. Он выполнен на стабилитроне КС162А и полевом транзисторе КП103И.

Компаратор 19 предназначен для сравнения выходного напряжения второго усилителя 15 с напряжением источника 18 эталонного напряжения. Компаратор выполнен на микросхеме К154УД1.

Первый электронный ключ 20 предназначен для подключения выхода компаратора 19 ко входу первого блока 13 памяти при подаче управляющего напряжения с первого выхода мультивибратора 17. Он выполнен аналогично третьему электронному ключу 6.

Регистратор 21 предназначен для регистрации измеряемого значения электрокожного сопротивления. В качестве регистратора использован стрелочный микроамперметр типа М42103.

Устройство для измерения электрокожного сопротивления работает следующим образом.

Индифферентные электроды 3, 4 фиксируются в индифферентной области кожного покрова 1, а измерительный электрод 2 прижимается контактной поверхностью к кожному покрову в исследуемой зоне точки акупунктуры. Работа устройство поясняется временной диаграммой, представленной на фиг. 2.

За каждую половину периода выходного сигнала U₁₇ второго мультивибратора 17 первый мультивибратор 10 совершает, как минимум, один период колебаний, за который его выходное напряжение U₁₀ периодически включает и выключает электронный ключ 7. При выключенном электронном ключе 7 между точками A₁, A₂ подключены включенные последовательно калиброванные резисторы 5, 6, через которые от источников ЭДС E₁, E₂ в цепи резисторов 5, 6 будет протекать электрический ток I_min, значение которого можно определить на основе закона Ома для полной цепи, рассматривая контур прохождения тока:



где

R₁, R₂ - сопротивления калиброванных резисторов 5, 6.

При изменении выходного напряжения U₁₀ мультивибратора 10 открывается электронный ключ 7 и замыкаются выводы калиброванного регистра 5, что приводит к уменьшению суммарного сопротивления в цепи прохождения тока между точками A₁, A₂ и к соответствующему увеличению протекающего электрического тока до значения I_max:

(2)

При периодическом включении и выключении электронного ключа 7 по управляющему сигналу U₁₀ с частотой F также будет изменяться электрический ток I, проходящий в цепи между измерительным 2 и первым пассивным 3 электродами. При этом среднее значение тока I_o и его амплитуду I можно найти:

(3)

(4)

Подставляя в выражения (3), (4) значения токов из выражений (1), (2), получим следующее:





В первую половину каждого периода изменения выходного напряжения U₁₇ второго мультивибратора 17 выходным сигналом с первого его выхода открывается первый электронный ключ 20 и включается коммутатор 9, подключая второй вход усилителя 8 к выводу калиброванного резистора 6.

Во вторую половину каждого периода напряжения U₁₇ выходным сигналом со второго выхода мультивибратора 17 открывается второй электронный ключ 14.

В первые половины периодов изменения выходного напряжения U₁₇ второго мультивибратора 17 между входами первого усилителя 8 воздействует падение напряжений U₁ на калиброванном резисторе 6 как от постоянной I_o, так и от переменной I составляющих тока, протекающего в цепи между точками A₁, A₂, переменная составляющая которого U₁ равна:



Усилителем 8 приложенное падение напряжения усиливается в K_у1 раз (напряжение U₈ - фиг. 2), где K_у1 - коэффициент усиления 8, и с помощью амплитудного детектора 11 на его выходе выделяется постоянное напряжение U₁₁, равное амплитуде выходного напряжения усилителя 8:

U₁₁= K_y1IR₂. (8)

Это напряжение проходит через управляемый делитель 12 напряжений и второй усилитель 15, на выходе которого формируется напряжение U_15-1, равное (при условии, что коэффициент передачи амплитудного детектора равен 1):

U_15-1= K_y1K(U)K_y2U₁,

где

K(U) - коэффициент передачи управляемого делителя 12 напряжений; K_у2 - коэффициент усиления второго усилителя 15.

Напряжение U_15-1 прикладывается к первому входу компаратора 19 и сравнивается с напряжением U₀ источника 18 эталонного напряжения, приложенного ко второму входу компаратора 19. Пропорционально разности напряжений U_у15-1 и U₀ на выходе компаратора 19 формируется напряжение, которое в первую половину периода сигнала второго мультивибратора 17 через открытый электронный ключ 20 будет приложено ко входу первого блока 13 памяти, запоминаясь в нем. С выхода первого блока 13 памяти напряжение будет воздействовать на вход управляемого делителя 12 напряжений, изменяя коэффициент его передачи K(U). Изменение выходного напряжения компаратора 19 и коэффициента передачи K(U) управляемого делителя 12 напряжений будет происходить до тех пор, пока выходное напряжение U_15-1 второго усилителя 15 не станет равным напряжению U₀. Длительность периода выходного напряжения второго мультивибратора 17 выбрана такой, чтобы процесс установления равенства напряжений U_у15-1 = U₀ заканчивался за одну половину периода работы мультивибратора 17.

После времени переходного процесса выражение (9) можно переписать в виде:

U_15-1= K_y1K(U)K_y2U₁= U₀;

или

K = K_y1K(U)K_y2= U₀/U₁;

где

K - общий коэффициент передачи усилительного канала, состоящего из включенных последовательно первого усилителя 8, амплитудного детектора 11, управляемого делителя 12 напряжений и второго усилителя 17.

Во вторые половины периодов работы первого мультивибратора 17 коммутатор 9 устанавливается в исходное состояние, при котором второй вход усилителя 8 подключается ко второму пассивному электроду 4 (точке A₃) и ко входам первого усилителя 8 прикладывается разность потенциалов U_1-3 (фиг. 2) точек A₁, A₃, изменяющаяся за счет изменения падения напряжения на изменяемом сопротивлении Z_x при изменении тока в разные половины периодов работы первого мультивибратора 10.

При этом электронный ключ 20 закрывается, и коэффициент усиления K усилительного канала остается равным значению, установленному в первую половину периода работы второго мультивибратора 17.

Переменная составляющая изменения разности потенциалов U_1-3 будет определяться падением напряжения U₂ от переменной составляющей тока I на измеряемом сопротивлении Z_x, т.е.:



Проходя через усилительный канал (8, 12, 15) и амплитудный детектор 11 пропорционально напряжению U₂ на выходе второго усилителя 15 сформируется напряжение U_15-2, равное:

U_15-2= KU₂= K_y1K(U)K_y2U₂= (U₀/U₁)U₂. (12)

Это напряжение через открытый второй электронный ключ 14 будет воздействовать на вход второго блока 16 памяти, запоминаясь в нем.

Подставляя в выражение (11) значения U₁ и U₂ из выражений (7), (11), можно записать для выходного напряжения U₁₆ блока 16 памяти:

U₁₆ = (U₀/R₂)Z_x, (13)

которое при постоянных значениях U₀ и R₂ пропорционально измеряемому сопротивлению Z_x.

По значению напряжения U₁₆ с помощью регистратора 21 будет обеспечиваться регистрация измеряемого значения электрокожного сопротивления Z_x. При этом, как видно из выражения (13), в устройстве осуществляется линейное преобразование измеряемого сопротивления Z_x в выходное напряжение U₁₆ с коэффициентом преобразования, равным U₀/R₂. Это позволяет осуществлять точное измерение электрокожного сопротивления. Причем, изменяя отношение U₀/R₂ можно изменять диапазоны измерения, реализуя возможности построения многодиапазонных измерительных приборов с линейными шлаками измерения, позволяющих получать высокую точность измерения за счет минимальных погрешностей отсчета измеряемых значений по шкале регистратора.

Поскольку электрокожное сопротивление в некоторых пределах зависит от значения измерительного тока, в устройстве можно осуществлять его изменение в некоторых пределах путем изменения значений калиброванных резисторов 5, 6 для обеспечения измерений при одном значении измерительного тока. При изменении значения сопротивления R₁ будут изменяться значения постоянной (1) и переменной (2) составляющих измерительного тока, а регистрируемое значение изменяться не будет. Также в устройстве можно изменять значение составляющих измерительного тока путем изменения сопротивления R₂ калиброванного резистора 5 при одновременном пропорциональном изменении напряжения U₀ эталонного источника напряжения так, чтобы отношение U₀/R₂ оставалось постоянным. При этом регистрируемое регистратором 21 значение электрокожного сопротивления также изменяться не будет. А это дополнительно повышает точность измерений за счет исключения погрешностей от нелинейности измеряемого электрокожного сопротивления при выборе постоянного значения измерительного тока.

Таким образом, в устройстве для измерения электрокожного сопротивления повышается точность измерения электрокожного сопротивления в широком диапазоне регистрируемых значений сопротивлений за счет линейного преобразования измеряемого сопротивления в выходное напряжение и использования переменного измерительного тока с минимальным значением амплитуды, что исключает влияние на результаты измерений поляризационных процессов и параметров преобразующих звеньев устройства, обеспечивая высокую достоверность получаемых результатов.