устройство для измерения электрического импеданса в частях тела

Формула изобретения

1. Устройство для измерения электрического импеданса в частях тела, содержащее генератор тока, управляемый токовый коммутатор, две пары токовых электродов соответственно первого и второго уровней фиксации, две пары потенциальных электродов соответственно первого и второго уровней фиксации, которые соединены с входами управляемого потенциального коммутатора, выходы которого через детектор и аналого-цифровой преобразователь соединены с блоком управления и обработки данных, управляющие выходы которого соединены с соответствующими управляющими входами токового и потенциального коммутаторов и входом запуска аналого-цифрового преобразователя, при этом электроды первого уровня выполнены с возможностью фиксации на правой и левой ногах, а электроды второго уровня с возможностью фиксации на правой и левой руках, отличающееся тем, что в него введена пара токовых электродов третьего уровня, выполненных с возможностью их фиксации на правой и левой частях шеи, а токовый коммутатор выполнен в виде двух, соответственно правого и левого токовых коммутирующих блоков, каждый из которых подключен к выходам генератора тока и выполнен на трех последовательно соединенных переключателях, соответственно первого, второго и третьего уровней, причем второй выход правого переключателя первого уровня соединен с электродом первого уровня с фиксацией на левой ноге, а второй выход левого переключателя первого уровня соединен с электродом первого уровня с фиксацией на правой ноге, вторые выходы правых и левых переключателей второго и третьего уровней подключены соответственно к электродам второго и третьего уровней с фиксацией на правой и левой руках и правой и левой частях шеи.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит токовый и потенциальный электроды четвертого уровня, выполненные с возможностью их фиксации соответственно на лбу в проекции лобной пазухи и на переносице, при этом правый токовый коммутирующий блок содержит переключатель четвертого уровня, вход которого соединен с вторым выходом переключателя третьего уровня, а выход - с токовым электродом четвертого уровня, причем потенциальный электрод четвертого уровня соединен с дополнительным входом потенциального коммутатора.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что блок управления и обработки данных содержит дополнительный управляющий выход, соединенный с управляющим входом генератора тока.

4. Устройство по пп.1-3, отличающееся тем, что переключатели выполнены в виде реле с герметичной переключающей группой контактов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к диагностическим устройствам, измеряющим импеданс в заданных частях тела путем дистанционного сканирования их зондирующим током, и может использоваться для неинвазивного определения объемов жидкости организма.

Диагностическая информация при измерении электрического импеданса частей тела получается в результате анализа параметров переменного зондирующего тока при его объемном прохождении через ткани организма. Для измерения с высокой точностью электрического импеданса (Z ₀) участка тела используется тетрополярный метод, в котором зондирующий ток (I_з) пропускается через токовые электроды (ТЭ), а падение напряжения (U_o) на исследуемом участке тела измеряется посредством потенциальных электродов (ПЭ).

Диагностические устройства, использующие переменный ток в качестве зондирующего сигнала, являются наиболее неинвазивными среди современных технических средств, отображающих количества жидкости в организме. Это достигается за счет использования зондирующих сигналов малой мощности, например не более 3·10 ^-4Вт, на электродах, контактирующих с телом. А также за счет отсутствия однонаправленности в передаче энергии зондирующего сигнала в организме: переменный ток заставляет полярные молекулы и ионы совершать только колебательные движения.

В диагностическом плане устройства для измерения импеданса частей тела используются в качестве первичных преобразователей в приборах, отражающих динамику клинического состояния больного: параметры кровообращения, дыхания и водного баланса.

Известно устройство для измерения импеданса тканей, содержащее двухчастотный блок генераторов тока, токовые и потенциальные электроды, детектор, аналого-цифровой преобразователь и блок индикации, которое позволяет измерять импеданс участков тела между электродами [1]. Однако данное устройство не позволяет производить измерение импеданса участков тела, являющихся составной частью всего объема тканей, по которым проходит зондирующий ток. При этом электроды устройства находятся непосредственно на границе исследуемой зоны и в ряде случаев являются помехой при проведении в ней манипуляций.

Наиболее близким техническим решением является устройство для определения объемного содержания внеклеточной и внутриклеточной жидкости в тканях биологического объекта, содержащее четыре пары потенциально-токовых электродов, генератор тока, управляемый коммутатор, детектор, аналого-цифровой преобразователь и блок обработки и индикации, которое позволяет измерять импеданс частей тела: рук, туловища и ног и, используя его значения, полученные при измерениях на низкой и высокой частотах, определять объемы жидкости [2]. Импеданс туловища в устройстве измеряется с помощью электродов, расположенных на руках и ногах. Такое расположение электродов не создает помех для процедурных манипуляций в области туловища. Но при измерении импеданса туловища зондирующий ток пропускается между правой (левой) рукой и левой (правой) ногой и измеряется падение напряжения на туловище между левой (правой) и правой (левой) ногой. При этом в области плеча зондирующий ток изменяет свое направление почти на противоположное, вследствие чего в верхней части туловища возникает неравномерное его распределение и снижается точность измерения импеданса туловища. В туловище содержится не менее половины общего объема жидкости тела. Погрешность измерения импеданса туловища значительно снижает точность определения объемов жидкости не только в туловище, но для всего организма. Неравномерное распределение зондирующего тока в области плеча снижает точность измерения импеданса рук, т.к. для его вычисления используется значение импеданса туловища.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерения импеданса туловища и рук за счет более равномерного распределения зондирующего тока в электропроводящем объеме туловища.

Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения электрического импеданса в частях тела, содержащее генератор тока, управляемый токовый коммутатор, две пары токовых электродов соответственно первого и второго уровней фиксации, две пары потенциальных электродов соответственно первого и второго уровней фиксации, которые соединены с входами управляемого потенциального коммутатора, выходы которого через детектор и аналого-цифровой преобразователь соединены с блоком управления и обработки данных, управляющие выходы которого соединены с соответствующими управляющими входами токового и потенциального коммутаторов и входом запуска аналого-цифрового преобразователя, при этом электроды первого уровня выполнены с возможностью фиксации на правой и левой ногах, а электроды второго уровня с возможностью фиксации на правой и левой руках, введена пара токовых электродов третьего уровня, выполненных с возможностью их фиксации на правой и левой частях шеи, а токовый коммутатор выполнен в виде двух соответственно правого и левого токовых коммутирующих блоков, каждый из которых подключен к выходам генератора тока и выполнен на трех последовательно соединенных переключателях, соответственно первого, второго и третьего уровней, причем второй выход правого переключателя первого уровня соединен с электродом первого уровня с фиксацией на левой ноге, а второй выход левого переключателя первого уровня соединен с электродом первого уровня с фиксацией на правой ноге, вторые выходы правых и левых переключателей второго и третьего уровней подключены соответственно к электродам второго и третьего уровней с фиксацией на правой и левой руках и правой и левой частях шеи.

Кроме того, устройство может содержать токовый и потенциальный электроды четвертого уровня, выполненные с возможностью их фиксации соответственно на лбу в проекции лобной пазухи и на переносице, при этом правый токовый коммутирующий блок содержит переключатель четвертого уровня, вход которого соединен с вторым выходом переключателя третьего уровня, а выход - с токовым электродом четвертого уровня, причем потенциальный электрод четвертого уровня соединен с дополнительным входом потенциального коммутатора.

Кроме того, в устройстве блок обработки и индикации может содержать дополнительный управляющий выход, соединенный с управляющим входом генератора тока.

При этом в устройстве переключатели могут быть выполнены в виде реле с герметичной переключающей группой контактов.

Сущность изобретения поясняется чертежами где:

- на фиг.1 приведена структурная схема устройства для измерения электрического импеданса частей тела при фиксации электродов на трех уровнях;

- на фиг.2 приведена структурная схема устройства для измерения электрического импеданса частей тела при фиксации электродов на четырех уровнях;

- на фиг.3 приведена эквивалентная схема управляемого переключателя для зондирующего тока высокой частоты.

- на фиг.4 приведена эквивалентная схема, отображающая прохождение зондирующего тока в правой части тела;

- на фиг.5 приведена эквивалентная схема, отображающая прохождение зондирующего тока в левой части тела;

- на фиг.6 приведена блок-схема алгоритма работы устройства с использованием блока управления и обработки данных.

Устройство для измерения электрического импеданса частей тела (фиг.1) содержит генератор тока 1, выходы которого соединены с управляющими входами правого 2 и левого 3 токовых коммутирующих блоков, потенциальный коммутатор 4. Блоки 2 и 3 содержат каждый переключатели первого, второго и третьего уровней: соответственно 5-7 и 8-10. Токовые электроды 11 и 12 первого уровня фиксации предназначены для электрического контакта с правой и левой ногами (Н). Электрод 11 подключен к переключателю 8, а электрод 12 - к переключателю 5. Токовые электроды 13 и 14 второго уровня фиксации предназначены для электрического контакта с правой и левой руками (Р) и соединены соответственно с переключателями второго уровня 6 и 9. Токовые электроды 15 и 16 третьего уровня фиксации предназначены для электрического контакта с правой и левой частями шеи (Ш) и соединены соответственно с переключателями третьего уровня 7 и 10. Потенциальные электроды 17, 18 первого уровня фиксации, предназначенные для контакта с ногами, и потенциальные электроды 19, 20 второго уровня фиксации, предназначенные для контакта с руками, соединены с входами управляемого потенциального коммутатора 4, выход которого через детектор 21 и аналого-цифровой преобразователь 22 соединен с блоком 23 управления и обработки данных, управляющие выходы которого соединены с управляющими входами коммутатора 4 преобразователя 22 и переключателей блоков 2, 3.

Устройство может содержать (фиг.2) в блоке 2 переключатель 24, последовательно соединенный с переключателем 7, а также токовый электрод 25 и потенциальный электрод 26 четвертого уровня фиксации, предназначенные для контакта на голове (Г) соответственно со лбом и переносицей, при этом электрод 25 соединен с выходом переключателя 24, а электрод 26 - с дополнительным входом коммутатора 4.

Переключатели 5-10, 24 могут быть выполнены в виде реле с герметичной переключающей группой контактов 27 (фиг.3).

Генератор 1 может быть выполнен с управлением от блока 23.

Устройство для измерения электрического импеданса в частях тела работает следующим образом.

Исходя из решаемой задачи зондирование организма может осуществляться путем подачи в исследуемые части тела стабилизированной величины зондирующего тока I _з заданной формы и частоты. При выполнении генератора 1 без управляющего входа он автоматически формирует на выходе сигнал с заданной величиной тока, частотой и формой, (например, ток величиной 100 мкА, содержащий две гармонические составляющие на частотах 5 кГц и 500 кГц). При выполнении генератора 1 с управляющим входом он выполняет только функцию по стабилизации величины тока на его выходе на заданном уровне, а сигнал, определяющий форму и частоту зондирующего тока I_З, формируется программным режимом блока 23 и с его дополнительного выхода поступает на вход генератора 1. Определение импеданса части тела производится путем пропускания зондирующего тока I_З между двумя токовыми электродами, зафиксированными на определенных частях тела и одновременном измерением падения напряжения между двумя потенциальными электродами, также зафиксированными на соответствующих частях тела. Сигналы с выхода блока 23, поступающие на блоки 2, 3 и коммутатор 4, устанавливают контакты 27 переключателей 5-10, 24 в комбинации подключения токовых электродов 11-16, 25 в соответствии с логической последовательностью, формируемой в блоке 23. Сигналы с выхода блока 23, поступающие на вход коммутатора 4, устанавливают комбинации подключения электродов 17-20, 26 к входу детектора 21. При каждой комбинации зондирующий ток через соответствующие переключатели 5-10, 24 подается на два токовых электрода и два соответствующих потенциальных электрода через коммутатор 4 подключаются к входу детектора 21. На вход детектора 21 поступает напряжение, возникающее между потенциальными электродами при прохождении I_з в теле, при этом на его выходе формируется напряжение, пропорциональное амплитуде входного напряжения, которое в цифровой форме после аналого-цифрового преобразования в преобразователе 22 поступает в блок 23, где происходит его запоминание, преобразование в параметры импеданса и отображение. Периодичность измерения импеданса задается программным режимом блока 23 (фиг.6).

Алгоритм работы устройства (фиг.6) отображает временную последовательность формирования управляющих сигналов блоком 23 и последовательность обработки сигналов, поступающих на его информационный вход при вычислении импеданса "рук", "туловища", "ног". Они вычисляются на основании измерений величин импеданса в 5-и отведениях. В блоке 23 последовательно для каждого отведения формируются сигналы, управляющие состоянием переключателей 5-10 блоков 2 и 3, а для блока 4 - сигналы управления подключением электродов 17-20.

Преобразователь 22 непрерывно с периодом 10 мс последовательно преобразует в код значения сигналов низкой и высокой частот, поступающие с выхода детектора 21. Сигнал на преобразование низкой или высокой частоты сигнала на преобразователь 22 поступают с блока 23.

За время "t" измерения импеданса в одном отведении производится 15 преобразований аналог-код. Первые 3-и значения пропускаются (Тпр) для исключения возможных помех, а 12 последующих (Тизм) усредняются и используются для вычисления импеданса. Общее время измерения в одном отведении составляет: t=Тпр+Тизм. Период измерения импеданса во всех отведениях (Тотв) выбирается на основании соотношения: Тотв>n(Тпр+Тизм) - где n - количество отведении.

Коммутация зондирующего тока I_з с выхода генератора 1 осуществляется через пары переключателей: 5, 8; 6, 9; 7, 10, которые образуют три уровня подключения тока I_З к телу: "ноги" (Н), "руки" (Р), "шея" (Ш), а переключатель 24 осуществляет коммутацию головного токового электрода 25, относящегося к уровню: "голова" (Г). Данное соединение переключателей 5-10, 24 снижает величину паразитной емкости, подключенной параллельно выходу генератора 1. Паразитная емкость на выходе генератора 1 образуется за счет наличия у переключателей 5-10, 24 в разомкнутом состоянии проходных емкостей С_П. На высокой частоте емкости С_П шунтируют выход генератора 1 и часть тока I_З проходит через них, а не через электроды 11-16, 25. Утечка тока I_З через емкости С_п снижет точность измерения импеданса частей тела на высокой частоте. Последовательное соединение переключателей 5-10, 24 в токовом коммутаторе приводит к тому, что емкости С_П соединяются между собой последовательно. За счет этого снижается величина общей эквивалентной емкости, подключенной к выходу генератора 1. Наименьшего снижения точности измерения импеданса на высокой частоте удается получить при использовании в качестве переключателей реле с герметичной переключающей группой, обладающих проходной емкостью 1 пФ.

Для измерения импеданса туловища (Z _Т) необходимо, чтобы зондирующий ток I_З был равномерно распределен по всему его электропроводящему объему. Это условие выполняется, в наибольшей степени, при расположении пар токовых электродов 15, 11 и 16, 12 на шее и ногах (фиг.4, фиг.5). При данном расположении электроды 15, 11 и 16, 12 находятся на "мнимой" прямой линии, проходящей от внешнего края шеи к средней линии ноги. Данное расположение электродов создает, в основном, продольное, ориентированное справа или слева равномерное распределение I_З по всей длине туловища. Значение импеданса туловища Z_T получают в результате двух измерений импеданса туловища совместно с правой и левой ногами (Z_T +Z_ПН); (Z_T+Z_ЛН) и отдельного измерения импеданса двух ног (Z_ПН+Z_ЛН).

В правой части тела между токовыми электродами 15, 11 от генератора 1 пропускают ток I_З, а между потенциальными электродами 19, 17 измеряют напряжение U₁. Аналогично производят измерение U₂ для левой части тела между электродами 16 и 12 и потенциальными электродами 20, 18. Импеданс ног (Z_ПН+Z_ЛН) измеряют при пропускании тока I_З между электродами 11, 12 путем измерения напряжения U_H между потенциальными электродами 17, 18.

Математические выражения U₁, U₂, U _H и их преобразования, соответственно, равны

U ₁=I_З(Z_T+Z_ПН);

U ₂=I_З(Z_T+Z_ЛН);

U _H=I_З(Z_ЛН+Z_ПН);

U ₁+U₂-U_H=2 I_З Z _T;

Z_T=¹/₂(U ₁+U₂-U_Н)/I_З;

(Z _ПН+Z_ЛН)=U_H/I_З.

Особенность данного измерения заключается в том, что импеданс туловища измеряется между двумя мнимыми "электрическими границами": первая проходит на уровне тазобедренных суставов по средней линии распределения тока I_З при его прохождении в ногах, вторая по линии, проходящей в верхней плоскости между плечами, т.е. по наивысшей эквипотенциальной поверхности в области плеч. В совокупности с равномерным распределением I_З по туловищу за счет шейных и ножных токовых электродов 15, 11 и 16, 12 правой и левой частей тела удается получить значение, достоверно отображающее импеданс туловища Z_T.

Импеданс правой руки Z _ПР определяют путем измерения напряжения U₃ между потенциальными электродами 19, 17 при пропускании I _З между электродами 13, 11, а импеданс левой руки Z _ЛР путем измерения напряжения U₄ между потенциальными электродами 20, 18 при пропускании I_З между электродами 14, 12. Математические выражения для определения импеданса рук равны

Z_ПР=(U₃-U₁)/I _З; Z_ЛР=(U₄-U₂)/I_З .

Для измерения импеданса головы Z_Г ток I_З пропускается между электродами 25 и 11 и измеряется напряжение U₅ между электродами 26 и 17. Математические выражения для определения импеданса головы равны

Z _Г=(U₅-U₁)/I_З.

Величины импеданса рук, туловища и ног, измеренные на низкой (5 кГц) и высокой (500 кГц) частотах, могут быть использованы для определения объемов внеклеточной и клеточной жидкостей по известным математическим зависимостям [3]. Определение объемов жидкости в отдельных частях тела с последующим суммированием их значений также существенно повышает точность определения общего объема жидкости в теле, т.к. в данном случае учитывается неоднородность в строении тканей в различных частях тела.

Клинические испытания прибора, реализующего заявленное устройство, проводились на базе отделения нефрологии больницы им. Боткина (Москва). Оценивалась возможность контроля динамики объема жидкости у больного, возникающей в результате проведения процедуры гемодиализа (ГД).

Пример. Больному А. Проводили процедуру ГД в течение 4 часов, объем ультрафильтрации составил 3,1 л. Измерения импеданса в 5-и отведениях производили до и после проведения ГД. Расчет количеств жидкости производили по методу, описанному ранее [3]. Результаты испытания представлены в табл.1 - значения импеданса, табл.2 - объемы жидкости, рассчитанные на основании значений импеданса частей тела.

Измеренное уменьшение общего объема жидкости у больного составило 3,26 л, что хорошо согласуется с объемом ультрафильтрации 3,1 л (ошибка измерения не превышает 5%).

Таким образом, устройство для измерения электрического импеданса частей тела позволяет повысить точность измерения импеданса туловища и рук за счет более равномерного распределения зондирующего тока в электропроводящем объеме туловища.

Источники информации

1. Патент США №4291708, кл. А 61 В 5/05, 29.09.81.

2. Патент SU №1826864 А3, кл. А 61 В 5/05, 29.04.90.

3. Капитанов Е.Н. Биофизическая модель для определения объемов жидкости в организме при его зондировании переменным электрическим током, М., Материалы пятой научно-практической конференции: "Диагностика и лечение нарушений регуляции сердечно-сосудистой системы", март 2003, С.196-203.