Способ мониторинга удельного сопротивления биологических тканей и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к функциональной диагностике. Способ мониторинга удельного сопротивления биологических тканей состоит в том, что на исследуемый участок устанавливают матричную головку, содержащую n электродов, соединенных с источником тока, источник тока выполняют стабильным и соединяют с токовыми электродами матричной головки, а информацию снимают с потенциальных электродов, причем как токовые, так и потенциальные электроды устанавливают не по прямой линии, переключая значения тока в программируемом источнике тока, производят измерения напряжений U_kl на потенциальных электродах k и l последовательно, повторяют операцию измерения, переключив направление тока между электродами, формируют массив результатов измерений значений напряжения U_kl и значений токов J_ij и определяют результаты мониторинга удельного сопротивления _klij на исследуемом участке биообъекта по формуле, представленной в описании изобретения. Устройство для мониторинга удельного сопротивления биологических тканей содержит матричную электродную головку, соединенную с источником тока и коммутатором, аналого-цифровой преобразователь, блок обработки и управления, цифроаналоговый преобразователь и соединенный с его первым выходом программируемый нелинейный преобразователь, второй вход которого подключен к выходу коммутатора, выполненного программируемым, вход которого соединен с вторым выходом цифроаналогового преобразователя, третий выход которого подключен к входу источника тока, выполненного стабильным и программируемым, а вход - к выходу блока обработки и управления, вход которого через аналого-цифровой преобразователь соединен с выходом программируемого нелинейного преобразователя. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к функциональной диагностике различных заболеваний.

Известны устройства мониторинга (измерения и контроля) электрического сопротивления кожи человека, работающие на постоянном токе, которые содержат пассивный и активный электроды [1] Недостатком указанных аналогов является низкая точность измерений за счет зависимости полученных результатов от формы, размеров и давления электродов на исследуемый объект.

Наиболее близким техническим решением(прототипом) по способу и устройству измерения (мониторинга) выбраны многозондовый метод и реализующее его устройство, которое содержит пассивный и много активных электродов, а также программируемый блок коммутации активных электродов, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, ЭВМ и блок отображения информации (принтер).

Недостатками прототипа по способу являются как малая информативность за счет неэффективного использования большого числа электродов, так и то, что указанный метод не позволяет провести трехмерный мониторинг структуры исследуемой части (оценку двумерных распределений удельного сопротивления и его анизотропии за одно касание с привязкой к поверхности и сканирование вглубь объекта).

Недостатком прототипа по устройству является низкая точность измерений (мониторинга), обусловленная существенной зависимостью результатов от давления активных электродов (на кожу) и сильным влиянием контактных сопротивлений между электродами и соответствующими участками исследуемого биологического объекта.

Целью изобретения-способа является повышение информативности о структуре биологических тканей (за одно касание электродной головки исследуемого участка) за счет более эффективного использования большого числа электродов использования независимых комбинаций электродов попарно в качестве токовых и потенциальных электродов и появления вследствие этого новых свойств по сравнению с прототипом появления возможности проведения трехмерного мониторинга структуры рассматриваемого объекта (оценки двумерных распределений удельного сопротивления и его анизотропии с привязкой к поверхности и сканирования вглубь объекта).

Целью изобретения-устройства является повышение точности измерений (мониторинга) за счет компенсации контактного сопротивления в зонах соприкосновения между электродами и соответствующими участками исследуемого биологического объекта.

Цели по способу и устройству достигаются тем, что сначала на исследуемую часть биологического объекта опускают электроды, число которых более четырех. Электроды закреплены в матричной головке не по прямой линии, из которых два (токовые) соединены с программируемым источником стабильного тока, а еще с двух (потенциальных) снимается напряжение. Результаты измерения напряжения U_kl, полученные при всевозможных комбинациях (k,l) и токовых (i,j) электродов (при использовании изменения направления тока между токовыми электродами при фиксации потенциальных электродов) обрабатывают по известным формулам с учетом систематических ошибок расстояний R_mu между электродами (двумерных ошибок знания координат электродов m и n) и определяют удельное сопротивление на рассматриваемом участке биологического объекта: _klij= где I_ij величина тока, пропускаемого через электроды i и j; ₁,₂,₃ известные функции систематических ошибок знания координат электродов.

После чего формируют двумерные распределения значений удельного сопротивления и его анизотропии, а также результаты сканирования вглубь.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства для мониторинга удельного сопротивления биологических тканей.

Устройство содержит программируемый источник 1 стабильного тока, программируемый коммутатор 2, матричную электродную головку 3, программируемый нелинейный преобразователь 4, аналого-цифровой преобразователь 5, блок 6 цифроаналогового преобразования, блок 7 обработки результатов и управления (ЭВМ), состоящий в свою очередь из блока 8 управления, формирователя 9 массива результатов измерения, блока 10 вычисления массивов значений удельного сопротивления и его анизотропии, формирователя 11 результатов (трехмерного) мониторинга (двумерных распределений удельного сопротивления и его анизотропии, и результатов сканирования вглубь объекта), блока 12 хранения результатов (базы данных), клавиатуры 13, дисплея 14. Источник 1 тока последовательно соединен с коммутатором 2 электродов матричной головки 3 (электроды в которой расположены не по одной линии), нелинейным преобразователем 4, аналого-цифровым преобразователем 5 и блоком 7. Блок 7, соединенный через блок 6 с источником 1 тока, коммутатором 2 и нелинейным преобразователем 4, состоит из последовательно соединенных блока 8 управления, формирователя 9, блока 10, формирователя 11, блока 12, а также из клавиатуры 13 и дисплея 14, присоединенных (к ЭВМ) к блоку 12. Функции блоков 8-12 могут быть реализованы в виде алгоритмов в ЭВМ (блок 7).

Способ осуществляют следующим образом (на примере кожи человека).

I. Электроды матричной головки 3, изготовленные из токопроводящего материала, приводят в соприкосновение с исследуемым участком кожи, номер (координаты) которого заносится с помощью клавиатуры 13 в блок 12 хранения результатов. В блоке 8 управления вырабатываются управляющие сигналы, преобразуемые блоком 6 цифроаналогового преобразования в аналоговую форму, с помощью которых в программируемом источнике 1 стабильного тока устанавливается заданное минимальное значение тока, в программируемом нелинейном преобразователе 4 максимальный используемый диапазон измерения напряжения, а программируемый коммутатор 2 подключает источник 1 тока к токовым электродам i j и одновременно нелинейный преобразователь 4 к паре потенциальных электродов k l (k l i j; i, j, k, l 1,n; n > 4).

II. Измеряют напряжение U_kl на потенциальных электродах k и l.

III. Результат измерения преобразуют с помощью аналого-цифрового преобразователя 5 в цифровую форму и передают в блок 7 обработки результатов и управления.

IV. В блоке 8 управления проверяют, что в разрядах аналого-цифрового преобразователя 5 менее двух значащих цифр и предел измерения напряжения не минимальный. Если "Да", то блок 8 вырабатывает управляющий сигнал, который преобразуется в блоке 6 в аналоговую форму и передается на нелинейный преобразователь 4, который уменьшает предел (диапазон) измерения напряжения в десять раз, и переходят к операции II, если "Нет" переходят к операции V.

V. В блоке 8 управления проверяют, что в разрядах аналого-цифрового преобразователя 5 менее двух значащих цифр и значение тока между электродами i и j не заданное максимальное. Если "Да", то блок 8 вырабатывает управляющий сигнал, который через блок 6 передается на программируемый источник 1 тока, который увеличивает значение постоянного тока между электродами i и j в s (s > 1) раз, и переходят к операции II, если "Нет" переходят к операции VI. С помощью формирователя 9 массива результатов измерения заполняют соответствующие элементы U_kl и I_ij массива входных данных.

VI. В блоке 8 управления проверяют, что не проводилось изменения направления тока между электродами i и j. Если "Да", то блок 8 вырабатывает управляющий сигнал, который через блок 6 поступает на коммутатор 2, который меняет порядок подключения источника 1 тока к электродам i и j на обратный, и переходят к операции II, если "Нет" переходят к операции VII.

VII. В блоке 8 вырабатываются управляющие сигналы, которые через блок 6 передаются на источник 1 тока, в котором устанавливается минимальное значение тока, на нелинейный преобразователь 4, в котором устанавливается максимальный диапазон измерения напряжения, и на коммутатор 2, в котором производится переключение потенциальных электродов матричной головки 3.

VIII. В блоке 8 управления проверяют, что операции II-VII повторены С_n-2² раз. Если "Да", то переходят к операции IX, если "Нет" к операции II.

IX. В блоке 8 управления проверяют, что операции II-VIII повторены С_n² раз. Если "Да", то переходят к операции Х, если "Нет", то вырабатывают управляющий сигнал и через блок 6 передают его на коммутатор 2, который переключает источник 1 тока на другую пару токовых электродов матричной головки 3, и переходят к операции II.

Х. В блоке 10 результаты измерений совместно обрабатывают с учетом направления тока и двумерных систематических ошибок расстояний между электродами (ошибок координат электродов), которые также оцениваются в этом блоке, в формирователе 11 формируют результаты (трехмерного) мониторинга (двумерных распределений удельного сопротивления и его анизотропии, и результатов сканирования вглубь объекта), заносят их совместно с номером (координатами) исследуемого участка кожи в блок 12 хранения и выводят их на дисплей 14.

XI. Оканчивают работу на исследуемом участке (кожи человека).

Устройство для мониторинга удельного сопротивления биологических тканей работает следующим образом.

Программируемый источник 1 стабильного тока подключается через программируемый коммутатор 2 к электродам i и j матричной головки 3 (электроды которой расположены не по одной линии). Электроды, изготовленные из токопроводящего материала, при опускании матричной головки 3 приводятся в соприкосновение с исследуемым участком биологического объекта, мониторинг удельного сопротивления которого нужно произвести. При этом через электроды i и j матричной головки 3 пропускают ток I_ij. С потенциальных электродов k и l матричной головки 3 с помощью последовательно соединенных программируемого нелинейного преобразователя 4 и аналого-цифрового преобразователя 5 снимается напряжение U_kl. Дальнейший процесс мониторинга исследуемого участка биологического объекта подробно описан в работе способа. При этом блок 7 обработки результатов и управления с входящими в него блоком 8 управления, блоком 10 вычисления массивов, формирователями 9 и 11, блоком 12 хранения результатов, клавиатурой 13 и дисплеем 14 производят следующие операции.

А. Управляет через блок 6 цифроаналогового преобразования переключением значений тока в программируемом источнике 1 тока, диапазонов измерения напряжения в программируемом нелинейном преобразователе 4, а также потенциальных и токовых электродов матричной головки 3 с помощью программируемого коммутатора 2.

Б. Формирует массив результатов измерений, элементами которого являются значения напряжения U_kl, снятые с потенциальных электродов, и значения тока I_ij, протекавшие между токовыми электродами.

В. Вычисляет значения удельного сопротивления _klij и его анизотропии для различных (независимых) комбинаций потенциальных (k, l) и токовых (i, j) электродов матричной головки 3.

Г. Формирует результаты (трехмерного) мониторинга (двумерных распределений удельного сопротивления и его анизотропии, и результатов сканирования вглубь объекта) на исследуемом участке биологического объекта.

Д. Запоминает результаты мониторинга в блоке 12 хранения (базе данных) совместно с номером (координатами) исследуемого участка, введенного заранее с помощью клавиатуры 13.

Е. Отображает результаты мониторинга на дисплее 14.

Использование изобретения позволит повысить точность измерения удельного сопротивления более чем в 3 раза. Кроме того, за счет использования независимых комбинаций электродов (за одно касание) и вследствие появления возможности проведения (трехмерного) мониторинга (оценки двумерных распределений удельного сопротивления и его анизотропии с привязкой к поверхности и сканирования вглубь объекта) существенно увеличивается информация о структуре исследуемой части биологического объекта.

Формула изобретения

1. Способ мониторинга удельного сопротивления биологических тканей, состоящий в том, что на исследуемый участок устанавливают матричную головку, содержащую n электродов, соединенных с источником тока, отличающийся тем, что источник тока выполняют стабильным и соединяют с токовыми электродами матричной головки, а информацию снимают с потенциальных электродов, причем как токовые, так и потенциальные электроды устанавливают не по прямой линии, переключая значения тока в программируемом источнике тока, производят измерения напряжений U_kl на потенциальных электродах k и l последовательно, повторяют операцию измерения, переключив направление тока между электродами, формируют массив результатов измерения значений напряжения U_kl и значений токов I_ij и определяют результаты мониторинга удельного сопротивления _klij на исследуемом участке биообъекта по формуле где I_ij - величина тока через электроды; ₁, ₂, ₃ - известные функции систематических ошибок знания координат электродов; n > 4 - число электродов; R_mn - расстояние между электродами; m = k, l и n = i, j.

2. Устройство для мониторинга удельного сопротивления биологических тканей, содержащее матричную электродную головку, соединенную с источником тока и коммутатором, аналого-цифровой преобразователь и блок обработки и управления, отличающееся тем, что в него введены цифроаналоговый преобразователь и соединенный с его первым выходом программируемой нелинейный преобразователь, второй вход которого подключен к выходу коммутатора, выполненного программируемым, вход которого соединен с вторым выходом цифроаналогового преобразователя, третий выход которого подключен к входу источника тока, выполненного стабильным и программируемым, а вход - к выходу блока обработка и управления, вход которого через аналого-цифровой преобразователь соединен с выходом программируемого нелинейного преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1