способ электромагнитно-резонансной импедансометрии живых тканей биологического объекта и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ электромагнитно-резонансной импедансометрии биологических объектов путем определения резонансного сопротивления и резонансной емкости колебательного контура, содержащего катушку индуктивности и конденсатор, в двух фазах - без воздействия и под воздействием биологического объекта на колебательный контур и последующего сопоставления величин активной и реактивной составляющих колебательного контура в этих двух фазах, отличающийся тем, что оценку параметров колебательного контура осуществляют путем измерения частоты возникающих свободных колебаний и скорости их затухания при ударном возбуждении контура, а параметры колебательного контура синхронно с измерением электрокардиосигнала измеряют дискретно в течение каждого из N-измерений времени кардиоцикла.

2. Устройство для электромагнитно-резонансной импедансометрии биологических объектов, содержащее датчиковое устройство, в состав которого входят катушка индуктивности и конденсатор, образующие колебательный контур, согласующее устройство, выход которого подключен к колебательному контуру, буферный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и компьютер с интерфейсом, отличающееся тем, что дополнительно первая группа входов-выходов программно-управляемого микроконтроллера соединена с выходом интерфейса, вторая группа входов-выходов микроконтроллера соединена с выходом аналого-цифрового преобразователя, а вход аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу буферного усилителя, вход буферного усилителя подключен к первому выводу катушки индуктивности, один из выходов микроконтроллера подключен ко входу согласующего устройства, при этом вторые выводы катушки индуктивности и конденсатора соединены с общей шиной, а выход датчика кардиосигналов соединен со входом второго аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к третьей группе входов-выходов микроконтроллера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине и может быть использовано при диагностике ряда заболеваний методом сравнительной импедансометрии здоровых и больных тканей биологических объектов.

Известен способ импедансометрии живых тканей биологического объекта путем пропускания переменного электрического тока через ткани и измерения импеданса [1].

Способ применяется при измерении импеданса головного мозга у больных с тяжелой черепно-мозговой травмой. При измерении используются нихромовые или платиновые электроды, которые имплантированы оперативным путем в белое вещество и в кору головного мозга. Измерение производят на частотах 20 и 200 кГц биполярным способом. Недостатком является то, что способ выполняется инвазивным путем, имеет ограниченные возможности и отличается большой трудоемкостью и материальными затратами.

В настоящее время известно несколько неинвазивных способов импедансометрии биологических объектов, применяемых при диагностике заболеваний [1], из которых наиболее близким по своей сущности является выбранный в качестве прототипа способ электромагнитно-резонансной импедансометрии живых тканей биологического объекта, который осуществляется путем воздействия биологического объекта на один из элементов колебательного контура, содержащего катушку индуктивности, конденсатор и определения резонансного сопротивления и резонансной емкости этого контура без воздействия и при воздействии биологического объекта и определения отношений параметров контура. При исследовании формируют и подают на колебательный контур напряжение последовательного ряда частот, производя сканирование в диапазоне частот с некоторым шагом. Далее определяют амплитудно-частотную характеристику колебательного контура с воздействующим биологическим объектом и определяют параметры этого контура. Сравнивают полученные параметры с параметрами колебательного контура без биологического объекта и вычисляют импеданс биологического объекта. Воздействие осуществляют путем внесения биологического объекта во внутреннее или внешнее электромагнитное поле катушки индуктивности колебательного контура, или гальванического контакта тканей биологического объекта с металлическими электродами, соединенными электрически с обмоткой связи контурной катушки индуктивности колебательного контура, или контакта тканей биологического объекта с металлическими электродами, рабочая поверхность которых покрыта слоем диэлектрика, при этом каждый из электродов электрически соединен с одним из выводов конденсатора колебательного контура.

Устройство для осуществления способа содержит генератор тестовых сигналов переменной частоты, датчиковое устройство, в состав которого входит катушка индуктивности и конденсатор, образующие колебательный контур, и регистратор. В качестве генератора тестовых сигналов переменной частоты и регистратора используют компьютер с дополнительным устройством формирования и обработки сигналов, при этом у устройства формирования и обработки сигналов параллельный порт ввода/вывода соединен с шиной подключения дополнительных устройств компьютера, основной выход соединен с входом датчикового устройства, а сигнальный вход - с выходом датчикового устройства. Устройство снабжено устройством формирования и обработки сигналов, содержащим интерфейс, цифроаналоговый преобразователь, генератор, управляемый напряжением, синхронизатор, частотомер, аналого-цифровой преобразователь и коммутатор каналов.

Данный способ имеет следующие недостатки:

1) низкая скорость измерений, ограниченная большим числом частот, необходимых для измерения частотной характеристики контура и быстродействием компьютера;

2) недостаточная точность проведения измерения, обусловленная воздействием возможных помех (электромагнитных полей от соседних приборов, радиостанций и т.п.), которые могут существенно исказить результаты измерений;

3) кроме того, в настоящее время имеется необходимость проводить электромагнитно-резонансную импедансометрию отдельных органов и частей биологических объектов с учетом процесса кровенаполнения и активности сердечной деятельности.

Задача изобретения - повышение точности и скорости измерений с одновременным расширением функциональных возможностей.

Это достигается тем, что в способе электромагнитно-резонансной импедансометрии биологических объектов, путем определения резонансного сопротивления и резонансной емкости колебательного контура, содержащего катушку индуктивности и конденсатор, в двух фазах - без воздействия и под воздействием биологического объекта на колебательный контур, и последующего сопоставления величин активной и реактивной составляющих колебательного контура в этих двух фазах, согласно изобретению оценку параметров колебательного контура осуществляют путем измерения частоты возникающих свободных колебаний и скорости их затухания при ударном возбуждении контура, а параметры колебательного контура синхронно с измерением электрокардиосигнала измеряют дискретно в течение каждого из N-измерений времени кардиоцикла.

Это достигается тем, что в устройстве для электромагнитно-резонансной импедансометрии биологических объектов, содержащем датчиковое устройство, в состав которого входят катушка индуктивности и конденсатор, образующие колебательный контур, согласующее устройство, выход которого подключен к колебательному контуру, буферный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и компьютер с интерфейсом, согласно изобретению дополнительно первая группа входов-выходов программно-управляемого микроконтроллера соединена с выходом интерфейса, вторая группа входов-выходов микроконтроллера соединена с выходом аналого-цифрового преобразователя, а вход аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу буферного усилителя, вход буферного усилителя подключен к первому выводу катушки индуктивности, один из выходов микроконтроллера подключен ко входу согласующего устройства, при этом вторые выводы кардиосигналов соединены со входом второго аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к третьей группе входов-выходов микроконтороллера.

Сущность изобретения состоит в том, что исследование биологического объекта осуществляется дискретно во времени (измеряются параметры колебательного контура, на элементы которого воздействует биологический объект) и синхронно с электрокардиосигналом во время одного или нескольких следующих друг за другом кардиоциклов. При этом для измерения импеданса колебательного контура используется метод ударного возбуждения, основанный на возбуждении свободных колебаний в LC-контуре и оценке скорости их затухания. При исследовании время кардиоцикла разбивается на N измерений. При каждом измерении синхронно с электрокардиосигналом измеряется величина импеданса биологического объекта и величина электрокардиосигнала. Применяемая компьютерная программа предусматривает возможность выведения в графической и цифровой форме сигналов электрокардиограммы, изменения добротности (величины, однозначно связанной с импедансом колебательного контура), частоты и емкости с привязкой ко времени. Это позволяет производить электромагнитно-резонансную импедансометрию отдельных органов и частей биологических объектов с учетом процессов кровенаполнения и активности сердечной деятельности.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства для электромагнитно-резонансной импедансометрии.

Устройство для электромагнитно-резонансной импедансометрии биологических объектов содержит датчиковое устройство 1, в состав которого входят катушка индуктивности 2 и конденсатор 3, образующие колебательный контур. К потенциальному выводу колебательного контура подключены выход согласующего устройства 4 и вход буферного усилителя 5, выход которого соединен с входом первого аналого-цифрового преобразователя 6. Устройство содержит компьютер 7, выход которого соединен с входом интерфейса 8, и программно-управляемый микроконтроллер 9.

У микроконтроллера 9 первая группа входов-выходов соединена с выходом интерфейса 8, вторая группа входов-выходов соединена с выходом первого аналого-цифрового преобразователя 6, третья группа входов-выходов соединена с выходом второго аналого-цифрового преобразователя 11, вход которого соединен с выходом датчика электрокардиосигнала 10, а один из выходов соединен с входом согласующего устройства 4.

Устройство работает следующим образом. Программное обеспечение, написанное для компьютера 7 в стандартной операционной среде Windows 98, обеспечивает непосредственное участие оператора в запуске процесса измерения, оценке результатов и сохранении необходимой информации. По команде «Измерение» в программе, установленной на компьютере 7, формируется команда на программно-управляемый микроконтроллер 9, поступающая через интерфейс связи 8. Микроконтроллер 9, осуществляя работу по своей внутренней программе, получив команду на измерение, формирует на одном из выходов запускающий.импульс, который через согласующее устройство 4 подается на параллельный колебательный контур, образованный элементами 2 и 3.

Запускающий импульс (см. фиг.2а) имеет прямоугольную форму и вследствие короткой длительности достаточно широкий спектр частот. Элементы 2, 3 и длительность запускающего импульса подобраны так, чтобы в спектре возбуждаемой полосы частот была и резонансная частота датчикового устройства 1. Возбуждаемые колебания совпадают с резонансной частотой контура и имеют вид затухающих по амплитуде (см. фиг.2б).

Затухающее колебание усиливается буферным усилителем 5 до уровня приемлемого для обработки аналого-цифровым преобразователем 6. Информация о колебании в цифровой форме с выхода аналого-цифрового преобразователя 6 поступает на вход микроконтроллера 9. В соответствии с программой работы микроконтроллера происходит оценка нижнего и верхнего уровней затухающего колебания и фиксируется участок, где значение амплитуды затухающего колебания изменяется в e раз. Это необходимо для определения числа импульсов, заполняющих указанный промежуток Т (фиг.2в). Подсчитанное число импульсов соответствует добротности катушки 2 [2] и в численной форме через интерфейс 8 поступает в компьютер 7. Одновременно в микроконтроллере 9 за фиксированный интервал времени tф подсчитывается количество прошедших импульсов затухания и по результату вычисляется частота, на которой возбудился контур, состоящий из элементов 2 и 3. Это значение также передается в компьютер 7. Кроме индикации значений добротности и резонансной частоты, компьютер 7, по значению величины индуктивности 2, введенному заранее оператором, вычисляет величину емкости 3.

С целью снижения роли случайной погрешности и повышения достоверности производимых измерений программа на компьютере 7 предоставляет возможность проведения не только единичных замеров, но и пакетом. По отдельной команде на микроконтроллер 9 и на компьютер 7 поступают результаты нескольких (10, 20 замеров), которые впоследствии усредняются и представляются в численном виде.

Процесс измерения осуществляется в двух фазах - без воздействия и под воздействием биологического объекта на датчиковое устройство 1. В первом случае, без биологического объекта, по команде оператора происходит измерение добротности, частоты и емкости датчикового устройства 1 в свободном состоянии, во втором случае, с биологическим объектом. Указанные выше параметры фиксируются в базе данных компьютера 7 в сопоставлении с объектом исследования (рука, нога, голова и др.), а также со временем производимых исследований.

Кроме того, датчик кардиоимпульсов 10, наложенный на биологический объект, формирует на выходе сигнал электрокардиограммы, который преобразуется затем в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя 11 и поступает на вход микроконтроллера 9. В соответствии с программой микроконтроллер 9 через интерфейс 8 в промежутки времени, не занятые обслуживанием датчикового устройства 1, выводит на компьютер 7 сигнал электрокардиограммы.

Предлагаемый способ импедансометрии живых тканей биологического объекта осуществляется следующим образом.

Первоначально к устройству подключается соответствующее датчиковое устройство и проверяются параметры датчикового устройства без биологического объекта. Затем во внутреннее или внешнее электромагнитное поле обмотки измерительной катушки вносится исследуемый биологический объект, измеряются параметры колебательного контура и определяются вносимое активное сопротивление и вносимая емкость биологического объекта. Одновременно регистрируется кардиосигнал.

При импедансометрии конечностей измеряются параметры колебательного контура с внесенной больной конечностью в зоне патологического процесса, а затем измеряются параметры колебательного контура с внесенной здоровой конечностью в симметричной зоне. По отношению параметров здоровой и исследуемой конечностей диагностируется то или иное заболевание и степень его выраженности, что определяется соответствующей медицинской методикой. Дополнительную информацию для диагностики можно получить при помощи контактной импедансометрии, путем наложения металлических электродов поочередно в проблемную зону и симметрично расположенную здоровую.

Для диагностики возможных патологий живых тканей одиночного органа первоначально исследуют параметры колебательного контура с внесенным этим органом у здоровых людей разных возрастных групп и устанавливают границы этих параметров для каждой возрастной группы. При исследовании больных определяют отклонение этих параметров от контрольных и по разработанной методике диагностируют то или иное заболевание и степень его выраженности. При динамическом исследовании одного и того же пациента возможно прогнозирование течения болезни.

Предлагаемый способ импедансометрии и устройство для его осуществления прошли медицинскую проверку в клинических больницах г.Омска в отделениях нейрохирургии и нейрореанимации, травмотологии, гинекологии и урологии. Проверка подтвердила высокую эффективность предлагаемого изобретения.

Источники информации

1. Патент РФ №2182814, кл.7 А 61 В 5/053, опубл. 27.05.2002 г. БИ №15.

2. Измерения в электронике. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1987.