Устройство регистрации биопотенциалов и температуры биологически активных точек

Авторы патента:

Полезная модель относится к медицинской технике и может быть использована для диагностических исследований, связанных с акупунктурной диагностикой.

Устройство регистрации биопотенциалов и температуры биологически активных точек содержит последовательно соединенные датчики биопотенциалов или температуры, дифференциальный усилитель, фильтры нижних и верхних частот, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор. Дополнительно в схему устройства введены амплитудный ограничитель управляемый с помощью микропроцессора, вход которого соединен с датчиками биопотенциалов или температуры, а выход соединен с входом дифференциального усилителя, также дополнительно введены цифро-аналоговый преобразователь и корректирующий фильтр нижних частот с регулировкой напряжения смещения, которые вместе с аналого-цифровым преобразователем и микропроцессором образуют цепь автоматической корректировки напряжения смещения и температурного дрейфа, при этом выход перестраиваемого фильтра верхних частот соединен с первым входом корректирующего фильтра, выход микропроцессора соединен с входом цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен со вторым входом корректирующего фильтра, а выход корректирующего фильтра соединен через аналого-цифровой преобразователь со входом микропроцессора.

Акупунктурная диагностика реализуется по следующим направлениям: оценка электрических параметров биологически активных точек и измерение температурных параметров биологически активных точек.

Устройство позволяет регистрировать разность потенциалов между двумя точками ткани, отражающую её биоэлектрическую активность. Также устройство имеет возможность регистрировать разность температур между двумя точками ткани.

Известно устройство для оценки действия лекарственных препаратов (Заявка на изобретение 2003129995/14, 09.10.2003), которое содержит последовательно соединенные мультиплексор, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор. Устройство предназначено для измерения дифференциальной температуры или разности биопотенциалов между биологически активной точкой и интактной зоной.

Устройство имеет следующие недостатки: у него нет возможности корректировки напряжения смещения сигнала и дрейфа температурного коэффициента усилителя в автоматическом режиме (улучшение данных показателей ограничивается только классом используемого усилителя); защиты от внезапных быстрых во временной области изменений полезного сигнала не предусмотрено, из-за чего, особенно при регистрации разности биопотенциалов, вносятся искажения в картину регистрируемого сигнала. Кроме того, в устройстве отсутствует возможность эффективной фильтрации полезного сигнала в зависимости от вида измерений.

Известно также устройство регистрации биопотенциалов (патент на полезную модель RU 110631 U1), которое может служить прототипом предлагаемой полезной модели. Устройство содержит соединенные последовательно датчики биопотенциалов, фильтр, усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микроконтроллер. К микроконтроллеру подключены блок синхронизации, выполненный в виде микросхемы часов реального времени, флэш-память, блок интерфейса.

Недостатки устройства: при плохом контакте одного из датчиков возникает дребезг контакта, приводящий к резкому во времени всплеску уровня сигнала; устройство не имеет защиты от данного явления, из-за которого значительно искажается регистрируемый сигнал. Кроме того, напряжение на входе устройства очень мало, поэтому независимо от типа датчиков к параметрам входного тракта предъявляются достаточно высокие требования. В частности, необходимы очень низкие значения напряжения смещения сигнала и дрейфа температурного коэффициента усилителя. Недостатком рассмотренного устройства является также невозможность корректировки напряжения смещения и температурного дрейфа усилителя, что приводит к снижению достоверности измерений, особенно при суточной регистрации показателей. Фильтр, входящий в состав устройства, настроен на фиксированную частоту среза и не позволяет автоматически её регулировать в зависимости от типа используемых датчиков и характера исследований. Блок индикации не имеет достаточной информативности и не позволяет просматривать рассчитанные микроконтроллером графики сигнала.

Техническим результатом полезной модели является расширение функциональных возможностей при измерении биопотенциалов и темемпературы биологически активных точек путем введения регулируемых фильтров нижних и верхних частот, позволяющих использовать устройство для регистрации сигналов в различных частотных диапазонах, а также возможность амплитудной компенсации входного полезного сигнала и возможность автоматической регулировки напряжения смещения сигнала и компенсации температурного дрейфа усилителя.

Устройство регистрации биопотенциалов и температуры биологически активных точек (Фиг. 1) содержит последовательно соединенные дифференциальные датчики биопотенциалов (1), например, дифференциальную термопару; амплитудный ограничитель (2); дифференциальный усилитель (3); регулируемый фильтр нижних частот (4); регулируемый фильтр верхних частот (5); корректирующий фильтр нижних частот с регулировкой напряжения смещения (6); аналого-цифровой преобразователь (7); микропроцессор (8); цифро-аналоговый преобразователь (9); блок ввода/вывода (10), состоящий из клавиатуры (10а) и жидкокристаллического дисплея (10б); блок памяти (11) и блок интерфейса (12), вход 1 (13) и вход 2 (14).

На входе устройства (RU 110631) введен регулируемый микропроцессором амплитудный ограничитель (2), позволяющий подавлять высокочастотные амплитудные всплески входного сигнала, значительно превосходящие по амплитуде средние допустимые показатели полезного сигнала. Кроме того, введены цифро-аналоговый преобразователь (9) и корректирующий фильтр нижних частот (6) с регулировкой напряжения смещения, а входные фильтры верхних и нижних частот (4, 5) имеют регулируемые микропроцессором (8) частоты среза.

Цифро-аналоговый преобразователь (9) и корректирующий фильтр нижних частот (6) вместе с аналого-цифровым преобразователем (7) и микропроцессором (8) образуют цепь автоматической корректировки напряжения смещения и температурного дрейфа усилителя. Корректирующий фильтр нижних частот (6) выполнен двухвходовым. На первый вход (13) подается полезный сигнал с усилителя, а на второй вход (14) с цифро-аналогового преобразователя (9) подают аналоговый сигнал для корректировки напряжение смещения. В результате корректирующий фильтр нижних частот (6) не только фильтрует сигнал от помех, образованных в результате работы перестраиваемых входных фильтров и дифференциального усилителя (3), но и одновременно с этим осуществляет корректировку напряжения смещения и температурного дрейфа усилителя в автоматическом режиме. Таким образом, корректирующий фильтр нижних частот (6) одновременно с фильтрацией осуществляет корректировку напряжения смещения и температурного дрейфа усилителя путем подмешивания к сигналу корректирующего воздействия с цифро-аналогового преобразователя (9). Амплитудное ограничение высокочастотных всплесков входного сигнала и обеспечение малого напряжения смещения и температурного дрейфа усилителя в автоматическом режиме, позволяют повысить достоверность измерений устройства.

Входные фильтры верхних (5) и нижних (4) частот имеют возможность электронной регулировки частот среза с помощью команд микропроцессора (8). Перестраиваемые по частоте фильтры позволяют быстро перестроить прибор для регистрации либо дифференциальной температуры биологически активных точек, либо разности биопотенциалов биологически активных точек.

Устройство регистрации биопотенциалов и температуры биологически активных точек работает следующим образом. Полезный электрический сигнал с датчиков биопотенциалов или термопары (1) поступает на амплитудный ограничитель (2), который программно управляется с помощью микропроцессора (8). Амплитудный ограничитель (2) позволяет гасить высокочастотные выбросы амплитуды входного сигнала, причем уровень гашения выброса амплитуды зависит от скорости нарастания импульса, которая рассчитывается микропроцессором (8) программно. При этом микропроцессор (8) формирует соответствующий управляющий сигнал амплитудному ограничителю (2). Таким образом, помеховые составляющие в виде импульсов, значительно превосходящих по амплитуде средние допустимые показатели полезного сигнала, образованные в результате, например, дребезг контакта одного из датчиков, эффективно подавляются амплитудным ограничителем (2).

Далее сигнал, скорректированный по амплитуде, поступает на дифференциальный усилитель (3), а затем на первый фильтр нижних частот (4) с регулируемой микропроцессором (8), в зависимости от режима работы, частотой среза. К выходу фильтра нижних частот (4) подключен фильтр верхних частот (5) с регулируемой центральным процессором, в зависимости от режима работы, частотой среза. Отфильтрованный по верхним и нижним частотам сигнал поступает на первый вход (13) корректирующего фильтра нижних частот (6), работающего на фиксированной частоте среза и необходимого для подавления нежелательных составляющих, генерируемых регулируемыми фильтрами верхних (5) и нижних (4) частот. Аналоговый тракт устройства заканчивается соединением корректирующего фильтра нижних частот (6) с аналого-цифровым преобразователем (7). Оцифрованный сигнал с аналого-цифрового преобразователя (7) поступает в микропроцессор (8), в котором проводится цифровая обработка сигнала: расчет спектральных составляющих; сравнение рассчитанных параметров сигнала с заданными для конкретных объектов диагностирования, компрессирование сигнала, цифровая фильтрация, подавление сетевых наводок и т.д. Также осуществляется при необходимости запись сигнала в память устройства (11), передача сигнала через блок интерфейса (12) в ЭВМ, либо вывод сигнала с помощью блока ввода/вывода (10) на жидкокристаллический дисплей (10б).

Кроме цифровой обработки сигнала микропроцессор (8) выполняет функции управления модулями устройства и обеспечивает взаимодействие оператора с устройством с помощью модуля ввода / вывода (10), включающего в себя жидкокристаллический дисплей (10б) и клавиатуру (10а). На жидкокристаллическом дисплее (10б) в режиме измерений отображаются не только текущие значения сигнала, но и выводится либо временной график сигнала, либо спектр, либо гистограмма уровней сигнала. Также на жидкокристаллическом дисплее (10б) может отображаться детальная информация о состоянии устройства в режиме настройки.

В процессе измерения микропроцессор (8) осуществляет контроль отклонения изолинии от нулевого значения и в соответствии с этим формирует цифровой сигнал для подачи на цифро-аналоговый преобразователь (9). Цифро-аналоговый преобразователь (9) преобразует цифровую последовательность в аналоговое напряжение смещения, которое подмешивается к полезному сигналу с помощью корректирующего фильтра нижних частот (6). Тем самым происходит автоматическая корректировка напряжения смещения и температурного дрейфа усилителя.

Алгоритм работы устройства чледующий. Подключение датчиков биопотенциалов или термопары ко входу устройства.

Включение питания устройства.

Далее надо выбрать режим работы устройства (регистрация биопотенциалов либо регистрация температуры) путем захода в меню настроек и выбора соответствующего пункта с помощью клавиатуры. При этом микропроцессор выставляет значения частот среза для регулируемых фильтров (4 и 5).

При настройках выбрать режим регистрации - с записью в память прибора или без записи в память прибора (только отображение на экране текущих показаний).

Далее нажать старт, и прибор переходит в режим измерения.

Полезный электрический сигнал с датчиков поступает на амплитудный ограничитель (2), который программно управляется с помощью микропроцессора (8). Амплитудный ограничитель (2) позволяет гасить высокочастотные выбросы амплитуды входного сигнала.

Далее сигнал, скорректированный по амплитуде, поступает на дифференциальный усилитель (3), где усиливается.

Далее сигнал поступает на первый фильтр нижних частот (4) с регулируемой микропроцессором (8), в зависимости от режима работы, частотой среза. Фильтр отсеивает высокочастотные помехи.

Далее сигнал поступает на первый фильтр верхних частот (5) с регулируемой микропроцессором (8), в зависимости от режима работы, частотой среза. Фильтр отсеивает низкочастотные помехи.

Далее сигнал поступает на первый вход (13) корректирующего фильтра нижних частот (6), работающего на фиксированной частоте среза. Фильтр убирает нежелательных составляющие сигнала, генерируемые регулируемыми фильтрами верхних и нижних частот (4 и 5).

Далее сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (7).

Далее уже цифровой сигнал поступает в микропроцессор (8), который проводит цифровую обработку сигнала: расчет спектральных составляющих; сравнение рассчитанных параметров сигнала с заданными для конкретных объектов диагностирования, компрессирование сигнала, цифровую фильтрацию, подавление сетевых наводок и т.д

В микропроцессоре (8) программным способом проводится анализ сигнала (сравнение с эталонными значениями и по косвенным признакам) на предмет: 1-уход изолинии сигнала от нулевого значения 2 - резкие коротковременные всплески сигнала.

Если обнаружен уход изолинии от нулевого значения, микропроцессор (8) выдает необходимый сигнал на цифро-аналоговый преобразователь (9). Цифро-аналоговый преобразователь (9) формирует аналоговый сигнал смещения. Этот сигнал подается на второй вход (14) корректирующего фильтра нижних частот (6). Этот сигнал подмешивается к полезному сигналу, и положение «изолиния» возвращается к нулевому значению.

Если обнаружен резкий всплеск сигнала, свидетельствующий о, например, плохом контакте одного из электродов, то микропроцессор (8) формирует управляющий сигнал на амплитудный ограничитель (2) с целью подавить нежелательные всплески.

Далее из микропроцессора (8) обработанный сигнал в цифровом виде записывается в память устройства (11), отображается на экране жидкокристаллического дисплея (10б), подается на блок интерфейса (12) для передачи в ЭВМ.

Описание к фигурам

Фиг. 1. Принципиальная схема устройства регистрации биопотенциалов и температуры биологически активных точек

1. дифференциальные датчики биопотенциалов или дифференциальная термопара (в зависимости от вида измерения)

2. амплитудный ограничитель

3. дифференциальный операционный усилитель

4. регулируемый фильтр нижних частот

5. регулируемый фильтр верхних частот

6. корректирующий фильтр нижних частот с регулировкой напряжения смещения

7. аналого-цифровой преобразователь

8. микропроцессор

9. цифро-аналоговый преобразователь

10. блок ввода/вывода (10а - клавиатура, 10б - жидкокристаллический дисплей)

11. блок памяти

12. блок интерфейса

13. вход 1

14. вход 2

Фиг. 2. Устройство регистрации биопотенциалов и температуры биологически активных точек в работе

Устройство регистрации биопотенциалов и температуры биологически активных точек, содержащее последовательно соединенные датчики биопотенциалов или температуры, дифференциальный усилитель, фильтры нижних и верхних частот, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, отличающееся тем, что содержит амплитудный ограничитель, управляемый с помощью микропроцессора, вход которого соединен с датчиками биопотенциалов или температуры, а выход соединен с входом дифференциального усилителя, также дополнительно введены цифроаналоговый преобразователь и корректирующий фильтр нижних частот с регулировкой напряжения смещения, которые вместе с аналого-цифровым преобразователем и микропроцессором образуют цепь автоматической корректировки напряжения смещения и температурного дрейфа, при этом выход перестраиваемого фильтра верхних частот соединен с первым входом корректирующего фильтра, выход микропроцессора соединен с входом цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен со вторым входом корректирующего фильтра, а выход корректирующего фильтра соединен через аналого-цифровой преобразователь со входом микропроцессора.