устройство для измерения электрических параметров участка тела человека

Формула изобретения

1. Устройство для измерения электрических параметров участка тела человека, включающее два токопроводящих электрода, размещаемых на теле человека, операционный усилитель и микроконтроллер, выполненный с возможностью работы в режиме измерения импеданса участка тела человека, в режиме измерения активного сопротивления кожи человека и в режиме измерения разности потенциалов между участками кожи тела человека, при этом упомянутые электроды включены в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к нулевому потенциалу, выход подключен к входу аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, а инвертирующий вход через резистор подключен к порту ввода-вывода микроконтроллера, при этом в режиме измерения импеданса участка тела человека микроконтроллер на выходе порта ввода-вывода обеспечивает формирование сигнала заданной частоты, на которой измеряют импеданс, в режиме измерения активного сопротивления кожи человека микроконтроллер на выходе порта ввода-вывода обеспечивает формирование сигнала постоянного напряжения, а в режиме измерения разности потенциалов между участками кожи тела человека микроконтроллер обеспечивает отключение порта ввода-вывода.

2. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что частота сигнала, формируемого микроконтроллером в режиме измерения импеданса участка тела человека, составляет от 1 кГц до 4 МГц.

3. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что имеет держатель, в котором размещены компоненты электрической схемы устройства, включая упомянутые первый и второй токопроводящие электроды, операционный усилитель и микроконтроллер, при этом держатель выполнен с возможностью закрепления вокруг запястья человека так, чтобы электроды примыкали к запястью, каждый из электродов выполнен секционным с возможностью раздельного подключения секций, причем секции первого и второго электродов расположены попеременно в один ряд на внутренней поверхности держателя.

4. Устройство по п.3, характеризующееся тем, что число секций каждого электрода составляет по меньшей мере три.

5. Устройство по п.3, характеризующееся тем, что каждая секция обоих электродов имеет контактную площадь по меньшей мере 1 см².

6. Устройство по п.3, характеризующееся тем, что держатель выполнен в виде гибкой ленты, закрепляемой на запястье с помощью застежки.

7. Устройство по п.3, характеризующееся тем, что держатель выполнен в виде браслета, имеющего секции, шарнирно соединенные между собой.

8. Устройство по п.3, характеризующееся тем, что держатель выполнен в виде обтягивающей запястье манжеты.

9. Устройство по п.3, характеризующееся тем, что дополнительно снабжено приемо-передающим устройством для управления микроконтроллером и передачи измеряемых электрических параметров участка тела человека, при этом приемопередающее устройство размещено в держателе.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области измерений для диагностических целей, в частности к устройствам измерения с помощью электрического тока, и может быть использовано в системах мониторинга жизнедеятельности человека.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны различные устройства для измерения электрических параметров участка тела человека.

Так, в патенте KR 2008028651 (публикация 01.04.2008, МПК A61B 5/0424) описана система для измерения импеданса участка тела человека. Система включает два основных электрода, которые подключены к дифференциальным входам усилителя постоянного тока. На входе усилителя подключены фильтры. С выхода усилителя сигнал подается на устройство обработки. Данная система предназначена для измерения только импеданса участка тела, и не предназначена для измерения других электрических параметров участка тела человека, например активного сопротивления кожи человека или разности потенциалов между участками кожи тела человека.

В патенте CN 102579033 (публикация 18.07.2012, МПК A43B 5/0402, A61B 5/053) описана система измерения электрического сопротивления участка тела человека, содержащая электроды, усилители и микропроцессор. Электроды подключены к входу усилителя постоянного тока, выход усилителя через параллельный RC фильтр подключен к входу аналого-цифрового преобразователя микропроцессора. Данная система предназначена для измерения только одного параметра - электрического сопротивления участка тела человека - и не приспособлена для измерения других электрических параметров участка тела человека.

Наиболее близким аналогом является устройство и способ измерения импеданса участка тела человека, описанные в патенте US 8089283 (публикация 03.01.2012, МПК A61B 5/053). Устройство содержит электроды, размещаемые на теле человека, усилитель постоянного тока и микропроцессор. Электроды подключены к входу усилителя, с выхода которого регистрируются сигналы с характеристиками импеданса.

К входам усилителя подключен также ряд фильтров, переключение которых осуществляется микропроцессором. Данная система предназначена для измерения только одного параметра - импеданса - и не приспособлена для измерения других электрических параметров участка тела человека.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание простого устройства, с помощью которого можно измерять различные электрические параметры участка тела человека, в частности, импеданс участка тела человека, активное сопротивление кожи человека и разность потенциалов между участками кожи тела человека.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с настоящим изобретением устройство для измерения электрических параметров участка тела человека включает два токопроводящих электрода, размещаемых на теле человека, операционный усилитель и микроконтроллер. Микроконтроллер выполнен с возможностью работы в трех режимах - в режиме измерения импеданса участка тела человека, в режиме измерения активного сопротивления кожи человека и в режиме измерения разности потенциалов между участками кожи тела человека. Токопроводящие электроды включены в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя, неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к нулевому потенциалу, а выход операционного усилителя подключен к входу аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера. Инвертирующий вход операционного усилителя через резистор подключен к порту ввода-вывода микроконтроллера. В режиме измерения импеданса участка тела человека микроконтроллер на выходе порта ввода-вывода обеспечивает формирование сигнала заданной частоты, на которой измеряют импеданс участка тела человека. В режиме измерения активного сопротивления кожи человека микроконтроллер на выходе порта ввода-вывода обеспечивает формирование сигнала постоянного напряжения. В режиме измерения разности потенциалов между участками кожи тела человека микроконтроллер обеспечивает отключение порта ввода-вывода.

Включение электродов в цепь отрицательной обратной связи (ООС) операционного усилителя позволяет при заданных электрических параметрах на выходе порта ввода-вывода микроконтроллера, к которому через резистор подключен инвертирующий вход операционного усилителя, а также известных для операционных усилителей соотношениях сопротивлений во входной цепи, цепи ООС и токов в этих цепях, определять по значению выходного напряжения операционного усилителя, поступающего на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера, значение импеданса, активного сопротивления участка тела между электродами или разность потенциалов между участками кожи, к которым приложены электроды. Использование микроконтроллера обеспечивает формирование на выходе порта ввода-вывода требуемых электрических параметров, задающих режим измерения.

Таким образом, устройство в соответствии с настоящим изобретением позволяет измерять различные электрические параметры участка тела человека, такие как импеданс, активное сопротивление и даже разность потенциалов между участками кожи. При этом все параметры измеряются при помощи одних и тех же электродов, размещенных на теле человека, и одной простой не перестраиваемой электрической схемы, управление которой также простое и осуществляется через микроконтроллер.

В частности, частота сигнала, формируемого микроконтроллером в режиме измерения импеданса участка тела человека, для проведения измерений в диагностических целях может составлять от 1 кГц до 4 МГц.

Кроме того, устройство может иметь держатель, в котором размещены компоненты электрической схемы устройства, включая токопроводящие электроды, операционный усилитель и микроконтроллер. При этом держатель выполнен с возможностью закрепления вокруг запястья человека так, чтобы электроды примыкали к запястью. Каждый из электродов выполнен секционным с возможностью раздельного подключения секций, причем секции первого и второго электродов расположены попеременно в один ряд на внутренней поверхности держателя.

Такое выполнение устройства позволяет использовать его для измерения указанных электрических параметров тела человека в области запястья. Выполнение электродов секционными и расположение их попеременно в один ряд позволяет повысить устойчивость регистрируемого сигнала и чувствительности устройства. Это связано с увеличением надежности контакта электродов с кожей человека, а также увеличением площади электродов и оптимизацией пути прохождения тока через участок тела между секциями электродов. За счет того, что каждая из секций выполнена с возможностью раздельного подключения (то есть включения в состав соответствующего электрода), может измеряться разность потенциалов между отдельными точками запястья и усредненная разность потенциалов.

Кроме того, число секций каждого электрода может составлять по меньшей мере три, а каждая секция обоих электродов может иметь контактную площадь по меньшей мере 1 см².

В частном случае держатель может быть выполнен в виде гибкой ленты, закрепляемой на запястье с помощью застежки, например застежки-липучки.

В другом частном случае держатель может быть выполнен в виде браслета, имеющего секции, шарнирно соединенные между собой.

В другом частном случае держатель может быть выполнен в виде обтягиваемой запястье манжеты.

Устройство может быть дополнительно снабжено приемо-передающим устройством для управления микроконтроллером и передачи измеряемых электрических параметров участка тела человека, при этом приемо-передающее устройство размещено в держателе.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение поясняется следующими графическими материалами.

На Фиг.1 показана принципиальная электрическая схема устройства для измерения электрических параметров участка тела человека в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.2 приведена эквивалентная схема участка тела человека в режиме измерения импеданса.

На Фиг.3 приведена эквивалентная схема участка кожи человека в режиме измерения активного сопротивления.

На Фиг.4 приведена эквивалентная схема участка тела человека в режиме измерения разности потенциалов между участками кожи тела человека.

На Фиг.5 приведена эквивалентная схема подключения порта ввода-вывода микроконтроллера в трех режимах измерения.

На Фиг.6 показан в аксонометрии пример выполнения устройства для измерения электрических параметров участка тела человека в соответствии с настоящим изобретением с держателем в виде гибкой ленты с застежкой.

На Фиг.7 схематично показано закрепление устройства на запястье.

На Фиг.8 показано расположение секций токопроводящих электродов на держателе и электрическое соединение секций первого и второго электродов устройства, изображенного на Фиг.6.

На Фиг.9 показан вид указанного на Фиг.8 сечение А-А держателя в области одной из секций электрода.

На Фиг.10 показан другой пример конструкции держателя с полостью для размещения компонентов электрической схемы устройства в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.11 показана схема электрического соединения секций первого и второго электродов с образованием первого и второго электродов устройства.

На Фиг.12 проиллюстрировано направление электрических токов между секциями электродов устройства в соответствии с изобретением.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Устройство для измерения электрических параметров участка тела человека (Фиг.1) включает два - первый и второй - токопроводящих электрода 5 и 6 соответственно, размещаемых на теле человека, операционный усилитель 2 и микроконтроллер 1. Электроды 5 и 6 могут быть закреплены в различных местах тела человека с помощью держателя, например, выполненного в виде ленты с застежкой, закрепляемой на запястье, как это показано на Фиг.7.

Электроды 5 и 6 (Фиг.1) включены в цепь ООС операционного усилителя 2 между его инвертирующим входом и выходом. Соответственно, когда электроды закреплены на теле человека и имеют электрический контакт с телом, в цепи ООС операционного усилителя между электродами 5 и 6 оказывается включенным участок 3 тела (или поверхности кожи) человека. Неинвертирующий вход операционного усилителя 2 подключен к нулевому потенциалу. Выход операционного усилителя 2 подключен к порту аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера 1, а инвертирующий вход операционного усилителя 2 через резистор 4 подключен к порту ввода-вывода L микроконтроллера 1.

Микроконтроллер 1 может переключаться по порту ввода-вывода L в один из трех режимов, как это показано на эквивалентной схеме (Фиг.5). Здесь условно подключение порта ввода-вывода L микроконтроллера 1 представлено переключателем 14, имеющим три положения: первое - крайнее левое положение - соответствует режиму измерения импеданса участка тела человека, второе - центральное - соответствует режиму измерения активного сопротивления кожи, а третье - крайнее правое - соответствует режиму измерения разности потенциалов между участками кожи.

В первом режиме - измерения импеданса участка тела человека - порт L микропроцессора 1 переключается на выход, и с выхода порта L подается зондирующий сигнал частоты F в диапазоне от 1 кГц до 4 МГц. На Фиг.5 это соответствует крайнему левому положению переключателя 14. Эквивалентная схема участка 3 тела человека в данном режиме показана на Фиг.2. Она включает активное сопротивление 7 и параллельно включенную цепочку, включающую емкость 9 и сопротивление 8.

Учитывая известные свойства операционных усилителей (бесконечно большое входное сопротивление и соответственно нулевой входной ток и нулевое значение разности потенциалов на входах) и принимая во внимание, что неинвертирующий вход операционного усилителя 2 подключен к нулевому потенциалу, в данном включении переменный ток, протекающий через резистор 4, равен току, протекающему через участок 3 тела человека между электродами 5 и 6. Это равенство может быть записано как:

U_вх/R₄=U_вых /Z₃

где: U_вx - напряжение зондирующего сигнал частотой F с выхода L микроконтроллера 1;

R₄ - сопротивление резистора 4;

U_вых - напряжение на выходе операционного усилителя 2, поступающее на вход АЦП микроконтроллера 1;

Z₃ - импеданс участка 3 тела человека.

Поскольку и U₄ известны, то, измерив напряжение U _вых на выходе операционного усилителя 2, можно определить значение импеданса участка 3 тела человека:

Z ₃=R₄(U_вых/U_вх).

Во втором режиме - измерения активного сопротивления кожи человека - порт L микроконтроллера 1 переключается на ввод и через резистор 13 (называемый обычно резистором "подтяжки" и имеющийся в микроконтроллере 1) подключается к источнику питания напряжением Е. На Фиг.5 это соответствует центральному положению переключателя 14. Эквивалентная схема участка 3 тела человека в режиме измерения активного сопротивления кожи показана на Фиг.3 и включает сопротивление 10.

Так же, как и в случае измерения импеданса, в данном включении постоянный ток, протекающий через резистор 4 и резистор 13, равен току, протекающему через участок 3 тела человека между электродами 5 и 6. Это равенство может быть записано как:

E/(R₄+R₁₃)=U_вых

где: Е - напряжение питания микроконтроллера 1;

R₄ - сопротивление резистора 4;

R₁₃ - сопротивление резистора 13;

U_вых - напряжение на выходе операционного усилителя 2, поступающее на вход АЦП микроконтроллера 1;

R₃ - активное сопротивление кожи участка тела 3 человека.

Поскольку Е, R₄ и R₁₃ известны, то, измерив напряжение U_вых на выходе операционного усилителя 2, можно определить значение активного сопротивления кожи участка 3 тела человека.

В третьем режиме - измерения разности потенциалов между участками кожи человека - порт ввода-вывода L микроконтроллера 1 переключается на ввод и на его выходе обеспечивается высокое сопротивление. На Фиг.5 это соответствует крайнему правому положению переключателя 14. Эквивалентная схема участка 3 тела человека для данного случая показана на Фиг.4 и включает сопротивление 11 и источник напряжения 12.

Поскольку при таком включении ток, протекающий через резистор 4, и, соответственно, ток, протекающий через участка 3 тела человека, равны нулю (напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя 2 также равно нулю), то напряжение U _вых на выходе операционного усилителя 2 будет равно разности потенциалов между электродами 5 и 6, то есть измеряемой разности потенциалов между участками кожи человека.

Таким образом, за счет простого переключения режимов микроконтроллера, без смены электродов и их положения на теле человека, устройство переводится в любой из трех описанных режимов измерения электрических параметров участка тела человека.

Описанное устройство без каких-либо изменений пригодно для измерения как импеданса в широком диапазоне частот, так и для измерения обоих типов кожно-гальванической реакции человека.

На Фиг.6 показан в аксонометрии пример выполнения устройства для измерения электрических параметров участка тела человека в соответствии с настоящим изобретением. Устройство 16 включает держатель 17 с установленными на нем первым электродом 5 и вторым электродом 6 (Фиг.8), которые выполнены в виде отдельных секций 18 и 19 соответственно. В данном примере держатель 17 электродов 5 и 6 выполнен в виде гибкой ленты с застежкой 20 типа застежки-липучки, что позволяет закрепить его плотно вокруг запястья 22, как это показано на Фиг.7. Держатель 17 электродов может быть выполнен из пластмассы и других материалов, обеспечивающих оборачивание держателя вокруг запястья 22. Для специалиста понятно, что держатель электродов может иметь различную конструкцию, например, может быть выполнен в виде браслета, имеющего секции, шарнирно соединенные между собой, или в виде манжеты, плотно надеваемой на запястье (на чертежах эти варианты не показаны).

Электроды 5 и 6, выполненные в виде отдельных секций 18 и 19 соответственно, размещены с внутренней стороны держателя 17, так что при надевании устройства 16 на запястье 22 секции 18 и 19 электродов 5 и 6 примыкают к запястью 22. Секции 18 и 19 обоих электродов 5 и 6 расположены на держателе 17 в ряд попеременно. То есть, за секцией 18 электрода 5 следует секция 19 электрода 6, затем - снова секция 18 электрода 5, следом - секция 19 электрода 6, и т.д. На Фиг.6, Фиг.8, Фиг.10 - Фиг.12 секции 18 электрода 5 обозначены буквой "а", а секции 19 электрода 6 - буквой "b".

Опытным путем установлено, что близкий к оптимальному вариант выполнения устройства 16 содержит по четыре секции каждого электрода 5 и 6. Контактная площадь каждой секции 18 и 19 составляет по меньшей мере 1 см² . Форма секций 18 и 19 электродов 5 и 6 может быть разнообразной, например, прямоугольной, как показано на Фиг.6, или круглой, как показано на Фиг.10. Все секции 18 соединены между собой, как это показано на Фиг.8 и Фиг.11, образуя электрод 5, так же, как и все секции 19 электрически соединены между собой, образуя электрод 6.

В режиме измерения разности потенциалов, между участками кожи тела человека, может производиться коммутация секций 18, 19 электродов 5, 6 с помощью переключателей 26 и 27, как это показано на Фиг.11. Например, разность потенциалов может быть измерена между двумя секциями 18 и 19, для этого с помощью одного переключателя 26 соответствующая секция 18 включается в состав электрода 5 (остальные переключатели 26 разомкнуты), и с помощью одного переключателя 27 соответствующая секция 19 включается в состав электрода 6 (остальные переключатели 27 разомкнуты). В качестве переключателей 26, 27 могут быть использованы перемычки или различные электронные схемы, например на полевых транзисторах. Также может быть измерена усредненная разность потенциалов, когда все переключатели 26 и 27 подключают секции 18 и 19 к соответствующим электродам 5 и 6.

Внутри держателя 17 устанавливаются компоненты электрической схемы устройства 16 в виде гибкой печатной платы 21 (Фиг.9 и Фиг.10), или печатная плата в виде отдельных секций (не показано), соединенных гибкими проводниками. На печатной плате 21 также могут быть размещены элементы электропитания устройства.

Устройство может быть дополнительно снабжено приемо-передающим устройством с антенной для управления микроконтроллером и передачи во внешнее устройство результатов измерения, при этом приемо-передающее устройство также размещено в держателе (на чертежах не показаны).

Благодаря выполнению держателя 17 в виде гибкой ленты и застежки 20 устройство 16 закрепляется вокруг запястья 22, при этом контактные поверхности секций 18 и 19 электродов 5 и 6 плотно прилегают к коже запястья 22. Выполнение электродов 5 и 6 секционными обеспечивает надежный контакт с кожей по меньшей мере двух секций 18 и 19 электродов 5 и 6 при любых движениях руки. Благодаря тому, что электроды выполнены секционными и каждая из секций имеет площадь по меньшей мере 1 см², суммарная площадь каждого электрода, например в случае, когда он выполнен из четырех секций, составляет по меньшей мере 4 см² , что повышает надежность контакта электродов 5 и 6 с кожей и чувствительность устройства.

Расположение секций 18 и 19 попеременно (Фиг.12) обеспечивает прохождение электрического тока 25 (показан пунктирными стрелками) через мягкие ткани 23 запястья 22, при этом токи от отдельных секций 18 и 19 суммируются. При таком расположении секций 18 и 19 ток не проходит через кости 24 руки, которые обладают большим электрическим сопротивлением, чем кровенасыщенные мягкие ткани 23, что также влияет на чувствительность устройства в сторону ее повышения.

Такое конструктивное выполнение устройства обеспечивает повышение точности измерения в трех описанных режимах. Это происходит за счет повышения надежности контакта электродов с кожей человека, увеличения площади контакта электродов и оптимизации пути прохождения тока между секциями электродов. На основе данного устройства возможно создание систем для непрерывного мониторинга различных параметров жизнедеятельности человека.