Измерительно-обрабатывающий блок устройства биоимпедансных измерений

Авторы патента:

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к устройствам для биоимпедансных измерений. Измерительно-обрабатывающий блок устройства биоимпедансных измерений содержит аналоговый блок, выполненный с возможностью подключения измерительных электродов, вход/выход которого соединен с преобразователем импеданса в цифровой код, вход/выход которого через гальванический изолятор подключен к процессору, вход/выход которого подключен к интерфейсному блоку, выполненному с возможностью подключения к компьютеру, два гальванически развязанных источника питания, выполненных на одном трансформаторе, в виде несвязанных между собой вторичных обмоток, одна из которых подключена к согласующему аналоговому блоку, преобразователю импеданса в цифровой код и гальваническому изолятору, а другая - к гальваническому изолятору, процессору и интерфейсному блоку. Использование полезной модели позволят снизить уровень помех, возникающих от работы цифровых интегральных схем в системе, что позволяет улучшить характеристику отношение сигнал/шум и, следовательно, позволяет расширить динамический диапазон и повысить точность измерений импеданса.1 ил.

Настоящая полезная модель относится к медицинской технике и предназначена для биоимпедансных измерений или реографии.

Реография - метод исследования кровотока отдельных органов или всего организма путем измерения биоэлектрического импеданса, обусловленного пульсовыми колебаниями кровенаполнения сосудов. При биоимпедансных измерениях к исследуемому участку тела пациента прикладывают электроды и производят измерения полного электрического сопротивления (проводимости) биологических тканей.

Все больше появляется реографов с цифровым управлением процессом измерений и цифровой обработкой данных, получаемых при этих измерениях. В устройствах данного типа можно выделить аппаратные аналоговую и цифровую части. Наличие цифровых интегральных микросхем в системе обуславливает наличие импульсных помех, которые накладываются на полезный аналоговый сигнал, что ухудшает характеристику отношение сигнал/шум. Импульсные помехи в цепях питания, в частности, обусловливаются кратковременными возрастаниями (бросками) токов потребления интегральных микросхем при переключении последних из одного логического состояния в другое, а также, динамическими токами перезаряда паразитных емкостей сигнальных линий связи (собственных емкостей сигнальных проводников относительно шины земля). Эти токи, протекая по шине земля цепи питания, вызывают на общих участках импульсные падения напряжения, которые, приложенные ко входу микросхем, действуют как импульсные помехи.

Известен многочастотный измеритель биоимпеданса, содержащий последовательно соединенные измерительные электроды, инструментальный усилитель, блок детекторов, блок управляемых фильтров, второй вход которого подключен ко второму выходу блока детекторов, микроконтроллер, второй вход которого подключен ко второму выходу блока управляемых фильтров, а третий и четвертый выходы - к третьему и четвертому входам блока управляемых фильтров, и блок генераторов, второй вход которого подключен к второму выходу микроконтроллера, а два его выхода соединены со вторым и третьим входами блока детекторов, а также блок связи с ПЭВМ (персональная электронно-вычислительная машина), подключенный к пятому выходу

микроконтроллера, блок управления, предназначенный для управления режимами работы микроконтроллера и подключенный к третьему его входу, и токовые электроды, предназначенные для ввода зондирующего тока в исследуемый объект, отличающийся тем, что для стабилизации зондирующего тока в широком диапазоне частот в него дополнительно введены программируемый усилитель, первый вход которого соединен с первым выходом блока генераторов, а второй - с шестым выходом микроконтроллера, блок согласования, подключенный к выходу программируемого усилителя, вторым выходом соединенный с первым токовым электродом, сигнальный резистор, первый вывод которого соединен с первым выходом блока согласования, а второй - со вторым токовым электродом, преобразователь ток-напряжение, два входа которого подключены к выводам сигнального резистора, выпрямитель, вход которого подключен к выходу преобразователя ток/напряжение, а выход - к четвертому входу микроконтроллера, и два цифроаналоговых преобразователя, входы которых подключены к седьмому и восьмому выходам микроконтроллера, а выходы - к четвертому и пятому входам блока детекторов (Патент РФ 2432900, опубл. 10.11.2011, МПК А61В 5/05, А61В 5/053).

Наиболее близок по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому устройству является реоанализатор, который содержит два блока изолированных друг от друга близкорасположенных электродов одинаковой площади, управляемый демультиплексор, управляемый генератор измерительного тока, измеритель напряжения, АЦП и микропроцессор, при этом каждый из электродов каждого блока электродов связан с демультиплексором, генератор измерительного тока связан со входом демультиплексора, а вход демультиплексора дополнительно через измеритель напряжения и АЦП связан с сигнальным входом микропроцессора, выходы управляющих сигналов микропроцессора связаны с входами сигналов управления генератора измерительного тока и демультиплексора, а выход микропроцессора связан с выходным прибором (Патент РФ 2470580, 27.12.2012, МПК А61В 5/053). Данный реоанализатор взят за прототип.

Недостатком устройства- прототипа является гальваническая связь между аналоговой (измерительной) и цифровой (обрабатывающей и управляющей) частями, что ведет к проникновению шумов (помех) от работы цифровых интегральных микросхем в измерительную часть устройства и соответственно к снижению отношения сигнал/шум, кроме того у данного устройства отсутствуют средства защиты пациента в соответствии с медицинскими требованиями безопасности, в частности, защита от опасности поражения электрическим током.

Задачей создания полезной модели является разработка простой, надежной и безопасной конструкции устройства для биоимпедансных измерений свободной от недостатков прототипа.

Поставленная задача решается с помощью существенных признаков, указанных в формуле полезной модели таких как измерительно-обрабатывающий блок устройства биоимпедансных измерений, содержащий аналоговый блок, выполненный с возможностью подключения измерительных электродов, вход/выход которого соединен с преобразователем импеданса в цифровой код, вход/выход которого через гальванический изолятор подключен к процессору, вход/выход которого подключен к интерфейсному блоку, выполненному с возможностью подключения к компьютеру, два гальванически развязанных источника питания, выполненных на одном трансформаторе, в виде гальванически несвязанных между собой вторичных обмоток, одна из которых подключена к согласующему аналоговому блоку, преобразователю импеданса в цифровой код и гальваническому изолятору, а другая - к гальваническому изолятору, процессору и интерфейсному блоку.

Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат:

- Снижение уровня шума (помех), возникающих от работы цифровых интегральных схем в системе, что позволяет улучшить характеристику отношение сигнал/шум и, следовательно, позволяет расширить динамический диапазон и повысить точность измерений импеданса.

- Защита пациента от опасности поражения электрическим током в соответствии с медицинскими требованиями безопасности.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство для биоимпедансных измерений в виде структурной схемы представлено на фигуре 1. Для подключения к исследуемому объекту используется набор измерительных электродов 1, позволяющий выполнять измерения как по биполярной, так и по тетраполярной схемам подключения. Измерительные электроды 1 через согласующий аналоговый блок 2 подключаются к преобразователю импеданса в цифровой код 3, который через гальванический изолятор 4 соединен с процессором 5,

имеющий возможность подключения к компьютеру 7 через интерфейсный блок 6. Аналоговую (измерительную) часть составляют элементы 1-4, цифровую часть - 4-6. Питание аналоговой части (ее активных элементов 2-4) осуществляется от источника питания 8, а питание цифровой части (элементы 4-6) осуществляется от источника питания 9. Источники питания 8 и 9 гальванически развязаны. Гальванический изолятор 4 является пограничным между цифровой и аналоговой частями системы.

Ниже приведен пример осуществления полезной модели и ее работа.

В устройстве содержится набор измерительных электродов 1 (проводящие электрический ток пластины), которые прикладываются к исследуемому пациенту. Согласующий аналоговый блок 2 может быть выполнен на операционных усилителях. В качестве преобразователя импеданса в цифровой код 3 может быть использована, например, специализированная интегральная микросхема AD5933 (производитель Analog Devices Inc.). AD5933 - это прецизионный преобразователь импеданса, который совмещает в себе интегрированные генератор частоты и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Генератор частоты позволяет возбуждать внешнюю цепь с комплексным импедансом сигналом известной частоты. Отклик от внешней цепи оцифровывается интегрированным АЦП и подвергается дискретному преобразованию Фурье (ДПФ) в интегрированном модуле цифровой обработки сигнала. Алгоритм ДПФ возвращает для каждой частоты выходного сигнала отсчеты вещественной (R) и мнимой (I) составляющей. После проведения калибровки можно легко вычислить модуль и относительную фазу комплексного импеданса в каждой точке диапазона перестройки частоты. Вычисление может осуществляться в процессоре 5 на основании содержимого регистров вещественной и мнимой составляющих в AD5933. Микросхема AD5933 для подключения к процессору 5 имеет интерфейс I²C (Inter Integrated Circuits). Для осуществления гальванической развязки по сигнальным цепям этого интерфейса между преобразователем импеданса в цифровой код 3 и процессором 5 можно воспользоваться интегральной микросхемой ADuM1250 (производитель Analog Devices Inc.). В микросхеме ADuM1250 реализуется трансформаторная гальваническая развязка. В качестве процессора 5 может быть использован микроконтроллер, имеющий интерфейсы I²C и UART (Universal Asynchronus Receiver/Transmitter), например, C8051F314 (производитель Silicon Labs Inc.). В случае реализации интерфейса подключения к компьютеру RS-232, интерфейсный блок 6 может быть исполнен, например, на интегральной микросхеме МАХ232 (производитель Maxim Integrated Products, Inc), предназначенной для преобразования цифровых сигналов процессора 5 от интерфейса UART в цифровые сигналы интерфейса RS-232, а также выполняющая обратное преобразование этих сигналов. Источники питания 8 и 9 конструктивно могут быть исполнены на одном трансформаторе, имеющем гальванически несвязанные между собой вторичные обмотки, предназначенные для источников питания аналоговых и цифровых интегральных микросхем, от которых выпрямленное и стабилизированное напряжение подается для питания аналоговых цепей (элементы 2-4), и отдельно - для цифровых цепей (элементы 4-6).

Данное описание рассматривается как материал, иллюстрирующий полезную модель, сущность которой и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле полезной модели, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.

Измерительно-обрабатывающий блок устройства биоимпедансных измерений, содержащий аналоговый блок, выполненный с возможностью подключения измерительных электродов, вход/выход которого соединен с преобразователем импеданса в цифровой код, вход/выход которого через гальванический изолятор подключен к процессору, вход/выход которого подключен к интерфейсному блоку, выполненному с возможностью подключения к компьютеру, два гальванически развязанных источника питания, выполненных на одном трансформаторе, в виде несвязанных между собой вторичных обмоток, одна из которых подключена к согласующему аналоговому блоку, преобразователю импеданса в цифровой код и гальваническому изолятору, а другая - к гальваническому изолятору, процессору и интерфейсному блоку.