+

RU2366360C1 - Устройство для измерения импеданса биологических тканей - Google Patents

Устройство для измерения импеданса биологических тканей Download PDF

Info

Publication number
RU2366360C1
RU2366360C1 RU2008110270/14A RU2008110270A RU2366360C1 RU 2366360 C1 RU2366360 C1 RU 2366360C1 RU 2008110270/14 A RU2008110270/14 A RU 2008110270/14A RU 2008110270 A RU2008110270 A RU 2008110270A RU 2366360 C1 RU2366360 C1 RU 2366360C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
converter
measuring
control
impedance
digital filter
Prior art date
Application number
RU2008110270/14A
Other languages
English (en)
Inventor
Сергей Александрович Образцов (RU)
Сергей Александрович Образцов
Сергей Дмитриевич Леонов (RU)
Сергей Дмитриевич Леонов
Юрий Валентинович Троицкий (RU)
Юрий Валентинович Троицкий
Геннадий Николаевич Федоров (RU)
Геннадий Николаевич Федоров
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Смоленская государственная медицинская академия федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Смоленская государственная медицинская академия федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Смоленская государственная медицинская академия федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию
Priority to RU2008110270/14A priority Critical patent/RU2366360C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2366360C1 publication Critical patent/RU2366360C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)

Abstract

Изобретение предназначено для измерения импеданса биологических тканей. Устройство содержит синусоидальный генератор с регулируемой частотой выходного сигнала, электронный коммутатор, измерительный блок, измерительные электроды, аналоговый мультиплексор, широкополосный усилитель, преобразователь средневыпрямленного значения с перестраиваемой постоянной времени, аналого-цифровой преобразователь, трансверсальный цифровой фильтр, блок управления и обработки информации и индикатор. Изобретение обеспечивает расширение диапазона частот и рабочего диапазона измеряемых значений импеданса, повышение точности, возможность измерения удельных значений импеданса, статистической обработки и расчета различных функциональных параметров, выдачу результатов на индикатор. 1 ил.

Description

Изобретение относится к биофизике и медицинской технике и может быть использовано для малоинвазивной диагностики очаговых образований и заболеваний внутренних органов.
Известны устройства, измеряющие активную и емкостную составляющие импеданса биологических тканей (Ефремов А.В. и др. Устройство для измерения активной и емкостной составляющих импеданса биологических тканей // Пат. РФ №2196504, А61В 5/04). Устройство работает по четырехэлектродной схеме и состоит из синусоидального генератора, широкополосного усилителя с автоматической регулировкой усиления для поддерживания измерительного тока заданной амплитуды, фазочувствительного измерителя разности двух напряжений, усилителя постоянного напряжения, блока индикации, а также аналоговых блоков цепей обратной связи и управления. Из схемы устройства следует, что принципом его работы является измерение импеданса по соотношению амплитуд и фаз напряжения и тока в биологической ткани в соответствии с законом Ома для комплексных величин, определяемому фазочувствительным измерителем. Составляющие импеданса находят как действительную и мнимую части комплексного импеданса, выделяемые с использованием синхронного детектирования.
Недостатками устройства являются необходимость применения четырех электродов, что приводит к значительному усложнению конструкции электродного блока и к большему повреждению ткани при вводе электродов, а также малая приспособленность метода к измерению импеданса биологических тканей. Дело в том, что емкостная составляющая импеданса биологических тканей существенно меньше активной составляющей, поэтому напряжения, подаваемые на фазочувствительный измеритель, имеют незначительный фазовый сдвиг, вследствие чего измеритель вносит большую погрешность из-за фазовых шумов и фона промышленной частоты. При необходимости проводить измерения в широком диапазоне частот эта проблема усугубляется, поскольку затрудняется формирование двух опорных сигналов, сдвинутых на 90°, необходимых для обеспечения синхронного детектирования.
Второе устройство (Фролов С.С. и др. Устройство для измерения активной и емкостной составляющих импеданса небных миндалин // Заявка на изобретение №2006109298 от 23.03.2006 г., А61В 5/00) имеет более сложную схему. Основными его блоками являются: генератор импульсов, входное устройство, синхронный демодулятор, усилитель постоянного тока. Для формирования синусоидального измерительного сигнала используется нелинейный преобразователь линейно изменяющегося напряжения в синусоидальное. Принцип действия данного устройства также основан на детектировании разности фаз и соотношения амплитуд тока и напряжения в биологической ткани, следовательно, данное устройство, также как и первое, плохо приспособлено для измерения различающихся на 2-3 порядка составляющих импеданса биологических тканей.
Альтернативой фазочувствительному способу измерения составляющих комплексного сопротивления может служить способ, основанный на измерении составляющих импеданса независимо друг от друга за счет исключения зависимости измеряемой величины от другой составляющей импеданса с помощью специального функционального преобразования (Папоян, С.П. Способ измерения составляющих комплексного сопротивления // Изв. вузов. Приборостроение. - 1988. Т. 31. №5. С.55-57). Однако схема, предложенная авторами данного способа, не позволяет получить требуемую точность в широком диапазоне изменения активной и реактивной составляющей измеряемого сопротивления.
Общим недостатком рассмотренных устройств является зависимость показаний прибора от конфигурации применяемых электродов, что затрудняет сравнение измерений, проводимых в тканях различных органов. Применение же унифицированных электродов по причине существенного различия структуры, формы и размеров органов невозможно.
Важной особенностью живой биологической ткани по сравнению с техническим объектом является невозможность четко зафиксировать ее положение в связи с дыханием и сердцебиением. Существенное влияние на динамическую погрешность измерения оказывает постоянная времени фильтра преобразователя средневыпрямленного значения.
Целью настоящего изобретения является:
- создание устройства для измерения с повышенной точностью активной и емкостной составляющих импеданса биологических тканей в широком диапазоне частот с расширенным рабочим диапазоном каждой составляющей,
- уменьшение динамической погрешности, вызванной инерционностью фильтра преобразователя средневыпрямленного значения,
- обеспечение независимости результатов измерения от конфигурации электродов.
Достижение первой цели достигается введением дополнительных плеч измерительной схемы с различными номиналами элементов, одним концом подсоединенных к одному из электродов, а другим - к электронному коммутатору, через который подается синусоидальный сигнал от генератора.
Данное решение позволяет измерять составляющие импеданса биологических тканей, различающиеся на несколько порядков.
Уменьшение динамической погрешности достигается введением цифрового трансверсального фильтра. Цифровой фильтр производит оптимальную обработку переходного процесса преобразователя средневыпрямленного значения с целью определения установившегося значения выходного сигнала по начальному характеру процесса до выхода на режим. Так как параметры переходного процесса преобразователя могут изменяться с течением времени в связи с изменением параметров составляющих его элементов из-за влияния микроклиматических факторов и старения, перед каждым циклом измерений проводится его адаптация. Кроме того, введено цифровое устройство управления и обработки информации, которое в соответствии с кривой переходного процесса преобразователя осуществляет синтез коэффициентов оптимального цифрового фильтра известным методом зеркального отражения обрабатываемого сигнала.
Обеспечение независимости результатов измерения от конфигурации электродов достигается введением в устройство управления и обработки информации функции расчета удельных значений измеряемого импеданса с помощью математической модели распределения электрического поля в ткани при заданной пользователем конфигурации электродов. Использование удельных, а не абсолютных, значений импеданса позволяет легко сопоставлять результаты измерений, проведенных с использованием различных электродов, в том числе и нестандартных, без дополнительных исследований. Кроме того, вычислительный блок обеспечивает временную и статистическую обработку множества измерений и вычисления различных, в том числе и интегральных, характеристик, являющихся функцией времени измерения и значений составляющих импеданса на различных частотах, например коэффициент, характеризующий крутизну дисперсии электропроводности, и параметры диаграммы Коула-Коула («координаты» центра и радиус) и выдачу результатов измерения в обработанном виде на индикатор.
Сущность изобретения поясняется функциональной схемой, представленной на чертеже.
Устройство содержит синусоидальный генератор 1 с регулируемой частотой выходного сигнала, электронный коммутатор 2, вход которого соединен с выходом генератора 1, а выходы - с входами измерительного блока 3, состоящего из плеч, представляющих собой делители из последовательно включенных двух резисторов или двух конденсаторов, выходы которых объединены и подключены к первому измерительному электроду 4, входы, объединенные выходы и средние точки плеч подключены к входу аналогового мультиплексора 5, а второй электрод 4 подсоединен к общей шине устройства, включенные последовательно широкополосный усилитель 6, вход которого соединен с выходом аналогового мультиплексора 5, преобразователь средневыпрямленного значения 7 с перестраиваемой постоянной времени, аналого-цифровой преобразователь 8, трансверсальный цифровой фильтр 9, снабженный цифровым вычислительным устройством блок управления и обработки информации 10, выходы которого соединены с входом управления частотой генератора 1, селекторными входами электронного коммутатора 2 и аналогового мультиплексора 5, входом управления постоянной времени преобразователя средневыпрямленного значения 7, входом управления цифровым фильтром 9 и входом индикатора 11, кроме того, на вход блока управления и обработки информации 10 подается сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя 8 и трансверсального цифрового фильтра 9.
Устройство работает следующим образом. Электроды 4 вводят в ткань. Блок управления и обработки информации 10 в соответствии с указаниями пользователя определяет порядок работы устройства, задавая частоты, на которых следует проводить измерения в определенный момент времени. Блок управления и обработки информации 10 устанавливает частоту выходного сигнала синусоидального генератора 1, поступающего на вход электронного коммутатора 2. Электронный коммутатор 2 коммутирует входной сигнал на одно из плеч измерительного блока 3, выбираемое в соответствии с управляющими сигналами блока управления и обработки информации 10 в зависимости от типа измеряемой составляющей импеданса (активной или емкостной) и рабочего диапазона. В цепи синусоидальный генератор 1 - электронный коммутатор 2 - последовательно включенные резисторы или конденсаторы плеча измерительного блока 3 - электроды 4 - биологическая ткань - общая шина питания начинает протекать ток. Значения напряжений в узлах включенного в работу плеча измерительного блока 3 снимаются мультиплексором 5 и коммутируются на вход широкополосного усилителя 6. С выхода усилителя переменный синусоидальный сигнал поступает на вход преобразователя средневыпрямленного значения напряжения 7, выполняющего детектирование средневыпрямленного значения напряжения синусоидального сигнала. Далее сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, где производится оцифровка сигнала. Дальнейшая обработка сигнала ведется в цифровом виде. С выхода АЦП 8 цифровой сигнал подается на трансверсальный цифровой фильтр 9, где производится оптимальная обработка переходного процесса преобразователя 7 с целью определения установившегося значения выходного сигнала по начальному характеру процесса до выхода на режим. Так как параметры переходного процесса преобразователя 7 могут изменяться с течением времени в связи с изменением параметров составляющих его элементов из-за влияния микроклиматических факторов и старения, перед каждым циклом измерений проводится адаптация цифрового фильтра 9. При этом цифровой фильтр 9 работает в амплитудном режиме (сигнал проходит транзитом, не изменяясь), блок управления и обработки информации 10 в соответствии с кривой переходного процесса преобразователя 7 осуществляет синтез коэффициентов оптимального цифрового фильтра 9 известным методом зеркального отражения обрабатываемого сигнала.
Кроме того, блок управления и обработки информации 10 выполняет статистическую обработку результатов множества измерений с определением статистических величин, таких как математическое ожидание, дисперсия, статистические моменты и т. д., а также различных характеристик являющихся функциями результатов измерений, например коэффициент, характеризующий крутизну дисперсии электропроводности, и параметры круговой диаграммы Коула-Коула, аппроксимируя ее окружностью методом наименьших квадратов. Блок управления и обработки информации 10 осуществляет определение удельных значений измеряемого импеданса с помощью математической модели распределения электрического поля в ткани при заданной пользователем конфигурации электродов.
Цифровой фильтр 9 и блок управления и обработки информации 10 могут быть реализованы с использованием одного микроконтроллера. Возможна реализация цифрового фильтра и преобразователя средневыпрямленного значения на базе сигнального процессора.
Результаты измерений, статистической и функциональной обработки выводятся на индикатор 11.
Пример. При проведении измерений импеданса ткани печени крысы линии Vistar массой 200 г получено абсолютное значение активной составляющей импеданса биологической ткани 1316 Ом при использовании электродов в виде двух игл диаметром 0,4 мм с расстоянием между ними 10 мм и открытым участком проводящей поверхности длиной 3 мм. Блок управления и обработки информации 10 производит решение уравнений электрического поля методом конечных элементов с граничными условиями, соответствующими конфигурации проводящих поверхностей электродов, в результате которого блок управления и обработки информации 10 определяет, что удельное значение активной составляющей импеданса составляет 4,67 Ом·м.
Устройство позволяет определять удельные значения активной и емкостной составляющих импеданса на основании получаемого методами математического моделирования распределения электрического поля в биологической ткани при заданной конфигурации электродов. Устройство обладает расширенным рабочим диапазоном измеряемых значений импеданса за счет раздельного измерения составляющих импеданса и применения дополнительных плеч измерительной схемы с различными номиналами элементов и расширенным диапазоном рабочих частот за счет введения преобразователя средневыпрямленного значения напряжения, осуществляющего детектирование и сглаживание измерительного сигнала высокой частоты. Устройство обеспечивает повышенную точность при измерении импеданса биологической ткани за счет сокращения времени измерения при сохранении заданной инструментальной погрешности за счет введения цифрового фильтра, осуществляющего оптимальную обработку сигнала переходного процесса, и статистической обработки множества измерений с целью снижения случайной погрешности, обусловленной вызванными дыханием и сердцебиением колебаниями ткани. Устройство позволяет также выполнять вторичную обработку результатов измерений за счет использования мощного цифрового вычислительного устройства в блоке управления и обработки информации со встроенными алгоритмами обработки данных. Особым преимуществом с точки зрения пользователя является возможность вывода результатов измерения и обработанных данных на индикатор и передачи их в электронную вычислительную систему для дальнейшей обработки.

Claims (1)

  1. Устройство для измерения импеданса биологических тканей, включающее измерительные электроды, синусоидальный генератор, широкополосный усилитель, преобразователь средневыпрямленного значения, аналого-цифровой преобразователь, блок управления и обработки информации и индикатор, отличающееся тем, что дополнительно содержит трансверсальный цифровой фильтр, синусоидальный генератор подключен к входу электронного коммутатора, выходы которого подключены к входам измерительного блока, состоящего из плеч, представляющих собой делители из последовательно включенных двух резисторов или двух конденсаторов, выходы плеч объединены и подключены к первому измерительному электроду, второй измерительный электрод соединен с общей шиной, а входы, объединенные выходы и средние точки плеч подключены к входам аналогового мультиплексора, выход которого подключен к соединенным последовательно широкополосному усилителю, преобразователю средневыпрямленного значения, аналого-цифровому преобразователю и трансверсальному цифровому фильтру, блок управления и обработки информации дополнительно снабжен цифровым вычислительным устройством, входы которого соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя и выходом трансверсального цифрового фильтра, а выходы - с входом управления частотой генератора, селекторными входами электронного коммутатора и аналогового мультиплексора, входом управления постоянной времени преобразователя средневыпрямленного значения, входом управления цифровым фильтром, и подключенный к выходу блока управления и обработки информации индикатор.
RU2008110270/14A 2008-03-17 2008-03-17 Устройство для измерения импеданса биологических тканей RU2366360C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008110270/14A RU2366360C1 (ru) 2008-03-17 2008-03-17 Устройство для измерения импеданса биологических тканей

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008110270/14A RU2366360C1 (ru) 2008-03-17 2008-03-17 Устройство для измерения импеданса биологических тканей

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2366360C1 true RU2366360C1 (ru) 2009-09-10

Family

ID=41166389

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008110270/14A RU2366360C1 (ru) 2008-03-17 2008-03-17 Устройство для измерения импеданса биологических тканей

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2366360C1 (ru)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2462185C1 (ru) * 2011-07-19 2012-09-27 Учреждение Российской академии наук Институт механики сплошных сред Уральского отделения РАН Устройство для измерения импеданса биологических сред
RU2482792C1 (ru) * 2011-12-27 2013-05-27 Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Смоленская государственная медицинская академия" Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации Способ дифференциальной диагностики диффузных заболеваний печени
RU2492806C1 (ru) * 2012-03-05 2013-09-20 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр биотехнологий" Способ дифференциальной диагностики опухолей
RU2531143C1 (ru) * 2013-07-05 2014-10-20 Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Смоленская государственная медицинская академия" Министерства здравоохранения Российской Федерации Способ диагностики воспалительного процесса при вросшем ногте
WO2020101537A1 (ru) * 2018-11-16 2020-05-22 Общество с ограниченной ответственностью "КИБЕРДОК" Прибор для создания электромагнитного поля и измерения его поглощения проводящей средой

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2161904C2 (ru) * 1996-10-28 2001-01-20 Карасев Александр Александрович Способ оценки электрофизиологического состояния человека и устройство для его осуществления
RU2196504C2 (ru) * 2000-06-28 2003-01-20 Новосибирская государственная медицинская академия Устройство для измерения активной и емкостной составляющих импеданса биологических тканей
RU2295912C2 (ru) * 2005-01-24 2007-03-27 Федеральное государственное унитарное предприятие Омский научно-исследовательский институт приборостроения Способ электромагнитно-резонансной импедансометрии живых тканей биологического объекта и устройство для его осуществления

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2161904C2 (ru) * 1996-10-28 2001-01-20 Карасев Александр Александрович Способ оценки электрофизиологического состояния человека и устройство для его осуществления
RU2196504C2 (ru) * 2000-06-28 2003-01-20 Новосибирская государственная медицинская академия Устройство для измерения активной и емкостной составляющих импеданса биологических тканей
RU2295912C2 (ru) * 2005-01-24 2007-03-27 Федеральное государственное унитарное предприятие Омский научно-исследовательский институт приборостроения Способ электромагнитно-резонансной импедансометрии живых тканей биологического объекта и устройство для его осуществления

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
АЛДЕРСОН А.А. Механизмы электродермальных реакций. - Рига: Зинатне, 1985. Устройства интегральной электроники: Основы теории, расчета и проектирования: Учебное пособие. Трансверсальные фильтры, 2005 ФГУ ГНИИ ИТТ "Информика" Федеральное агентство по образованию. Единое окно доступа к образовательным ресурсам. Найдено в Интернете: http://window.edu.ru/window, 20.01.2009. *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2462185C1 (ru) * 2011-07-19 2012-09-27 Учреждение Российской академии наук Институт механики сплошных сред Уральского отделения РАН Устройство для измерения импеданса биологических сред
RU2482792C1 (ru) * 2011-12-27 2013-05-27 Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Смоленская государственная медицинская академия" Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации Способ дифференциальной диагностики диффузных заболеваний печени
RU2492806C1 (ru) * 2012-03-05 2013-09-20 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский центр биотехнологий" Способ дифференциальной диагностики опухолей
RU2531143C1 (ru) * 2013-07-05 2014-10-20 Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Смоленская государственная медицинская академия" Министерства здравоохранения Российской Федерации Способ диагностики воспалительного процесса при вросшем ногте
WO2020101537A1 (ru) * 2018-11-16 2020-05-22 Общество с ограниченной ответственностью "КИБЕРДОК" Прибор для создания электромагнитного поля и измерения его поглощения проводящей средой
RU2754400C2 (ru) * 2018-11-16 2021-09-02 Общество с ограниченной ответственностью "КИБЕРДОК" Прибор для создания электромагнитного поля и измерения его поглощения проводящей средой

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yang et al. Design and preliminary evaluation of a portable device for the measurement of bioimpedance spectroscopy
JP3636826B2 (ja) 生体電気インピーダンス測定装置
EP2301463A1 (en) Automatic control circuit for use in an electrosurgical generator
JPH09500732A (ja) 高周波電力測定
RU2366360C1 (ru) Устройство для измерения импеданса биологических тканей
JP3947379B2 (ja) 電気特性測定装置
CN101579236A (zh) 一种人体阻抗的多频多段测量装置及测量方法
EP1768545A1 (en) A method and device for determining a parameter of living tissue
Kubendran et al. Error correction algorithm for high accuracy bio-impedance measurement in wearable healthcare applications
CN112089418B (zh) 基于人体组织电导率变频调幅法的胸腔电阻抗检测方法
CN201441368U (zh) 一种人体阻抗的测量装置
JP2005052227A (ja) 皮膚表面の電解質成分に影響されない角質層水分量を測定する装置
CN113100740A (zh) 一种腹部成分分析仪及其分析方法
Searle et al. Real time impedance plots with arbitrary frequency components
Cabrera-López et al. Bioimpedance measurement using mixed-signal embedded system
JP6941258B2 (ja) 角層水分量を評価する演算処理装置、プログラム、前記演算処理装置を備えた電子機器及び角層水分量の評価方法
JP2001212101A (ja) 電気特性測定装置
JP2003116803A (ja) 電気特性測定装置
CN115363555A (zh) 一种用于人体阻抗测量的系统与方法
CN215128570U (zh) 一种腹部成分分析仪
JP2002065628A (ja) 生体インピーダンス検出装置
Zhong et al. Enhanced bio-impedance demodulation method under non-integer period sampling conditions
Dai et al. Blood impedance characterization from pulsatile measurements
Dhar et al. Non-invasive bio-impedance measurement using voltage-current pulse technique
JP2001276008A (ja) 脂肪細胞測定装置及び脂肪細胞測定方法

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20130318

点击 这是indexloc提供的php浏览器服务,不要输入任何密码和下载