RU100894U1

RU100894U1 - DEVICE FOR IMPEDANCE SPECTROMETRY OF BIOLOGICAL OBJECTS

Info

Publication number: RU100894U1
Application number: RU2010130514/14U
Authority: RU
Inventors: Валерий Александрович Устюжанин; Валентин Владимирович Епифанцев; Андрей Александрович Ишков
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2011-01-10

Abstract

Устройство для импедансной спектрометрии биологических объектов, включающее генератор зондирующего тока, электроды и измерительный блок, отличающееся тем, что для одновременного использования любых форм зондирующего тока и любых частот в диапазоне 0-500 кГц, определяемых биологическим строением исследуемого объекта, устройство снабжено дополнительными электродами с возможностью различных схем их коммутирования, блоком управления, блоком мультиплексирования, блоком управления мультиплексорами и синхронизации с АЦП. A device for impedance spectrometry of biological objects, including a probing current generator, electrodes and a measuring unit, characterized in that for the simultaneous use of any form of probing current and any frequency in the range of 0-500 kHz, determined by the biological structure of the object under study, the device is equipped with additional electrodes with the ability to various schemes for their switching, a control unit, a multiplexing unit, a control unit for multiplexers and synchronization with the ADC.

Description

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к оборудованию функциональной диагностики и может быть использована для проведения биоимпедансной спектрометрии различных биологических объектов и исследования зависимости импеданса различных биологических объектов от частоты зондирующего тока.The utility model relates to medical equipment, namely to equipment for functional diagnostics and can be used to conduct bio-impedance spectrometry of various biological objects and to study the dependence of the impedance of various biological objects on the frequency of the probe current.

Известны устройства и диагностические методы импедансных исследований, в которых в качестве зондирующего сигнала используется переменный электрический ток, содержащий одну или две разнесенные в частотном диапазоне гармонические составляющие, позволяющие получить информацию о состоянии биологических тканей или о водном балансе организма. Основными функциональными частями данных устройств являются источник переменного тока с одной или двумя частотами, блок коммутации, токовые и потенциальные электроды и блок обработки результатов в виде АЦП (пат. РФ: №2056791, №2033078, №2251387, устройство для оценки водных секторов организма АВС-01 «Медасс»).Known devices and diagnostic methods of impedance studies, in which an alternating electric current is used as a probing signal, containing one or two harmonic components spaced in the frequency range, which allow obtaining information about the state of biological tissues or about the body's water balance. The main functional parts of these devices are an alternating current source with one or two frequencies, a switching unit, current and potential electrodes and an processing unit for the results in the form of an ADC (Pat. RF: No. 2056791, No. 2033078, No. 2251387, device for evaluating the water sectors of the body of ABC -01 "Medass").

Недостатками указанных устройств являются использование одной частоты зондирующего тока, разделение электродов на токовые и потенциальные, их малое количество, следовательно, ограниченное число возможных схем наложения их на биологический объект. Эти недостатки ограничивают количество информационных показателей, снимаемых с биологического объекта, обеспечивают невысокую точность измерений и не позволяют использовать данные устройства для проведения импедансной спектрометрии, которая основывается на измерении и анализе зависимостей импеданса от частоты переменного тока. Разные объекты и процессы характеризуются разными зависимостями активного и реактивного сопротивления от частоты, что делает возможным решение обратной задачи - получение информации об этих объектах и процессах путем анализа частотных характеристик их отклика на переменном токе.The disadvantages of these devices are the use of one frequency of the probing current, the separation of electrodes into current and potential, their small number, therefore, a limited number of possible schemes for applying them to a biological object. These shortcomings limit the number of information indicators taken from a biological object, provide low measurement accuracy and do not allow the use of these devices for impedance spectrometry, which is based on measuring and analyzing the dependence of the impedance on the frequency of the alternating current. Different objects and processes are characterized by different dependences of the active and reactive resistance on frequency, which makes it possible to solve the inverse problem - obtaining information about these objects and processes by analyzing the frequency characteristics of their response on alternating current.

Наиболее близким по назначению и технической сущности к предлагаемому решению является устройство для оценки состояния биологических тканей (пат. РФ №2102006, МПК А61В 5/05, опуб. 20.01.98) содержащее источник стабилизированного напряжения, состоящий из двух генераторов, соответственно, высокой и низкой частоты и сумматора, два электрода, измерительный блок усиления и фильтрации сигнала, АЦП и цифровой индикатор.The closest in purpose and technical essence to the proposed solution is a device for assessing the state of biological tissues (US Pat. RF №2102006, IPC АВВ 5/05, publ. 01.20.98) containing a stabilized voltage source consisting of two generators, respectively, high and low frequency and adder, two electrodes, measuring unit for amplification and signal filtering, ADC and digital indicator.

Недостатками прототипа являются невозможность изменения частоты и формы зондирующего тока, наличие только двух электродов, что ограничивает количество схем измерения, с учетом анатомического строения участка тела, и исключает возможность определения состояния различных видов биологических тканей в исследуемой области, отсутствие блока обработки сигнала с целью получения дополнительных информационных признаков.The disadvantages of the prototype are the impossibility of changing the frequency and shape of the probe current, the presence of only two electrodes, which limits the number of measurement schemes, taking into account the anatomical structure of the body area, and excludes the possibility of determining the state of various types of biological tissues in the study area, the absence of a signal processing unit in order to obtain additional information signs.

Техническим результатом полезной модели является повышение информативности импедансной диагностики, а также точности измерений.The technical result of the utility model is to increase the information content of impedance diagnostics, as well as the accuracy of measurements.

Результат достигается тем, что устройство для импедансной спектрометрии биологических объектов, включающее генератор зондирующего тока, электроды, и измерительный блок, отличается тем, что, для одновременного использования любых форм зондирующего тока и любых частот в диапазоне 0-500 кГц, определяемых биологическим строением исследуемого объекта, устройство снабжено дополнительными электродами с возможностью различных схем их коммутирования, блоком управления, блоком мультиплексирования, блоком управления мультиплексорами и синхронизации с АЦП.The result is achieved in that the device for impedance spectrometry of biological objects, including a probe current generator, electrodes, and a measuring unit, is characterized in that, for the simultaneous use of any forms of the probe current and any frequencies in the range 0-500 kHz, determined by the biological structure of the studied object , the device is equipped with additional electrodes with the possibility of various switching circuits, a control unit, a multiplexing unit, a control unit for multiplexers and synchronization tion with the ADC.

Повышение информативности импедансной диагностики, а также точности измерений осуществляется за счет использования высокоскоростных цифровых систем, позволяющих синтезировать и анализировать зондирующий ток любой формы, и создание сигнала, состоящего из нескольких гармонических составляющих в диапазоне частот 0-500 кГц. Анализ такого сигнала позволит наблюдать амплитудные и фазовые спектры проходящего через биологический объект зондирующего тока в реальном времени, что обеспечивает получение информации о состоянии отдельных видов биологических тканей, находящихся в исследуемой области. Предлагаемое устройство позволяет проводить измерение одновременно по 16 каналам, соответственно максимальное количество электродов - 16, каждый из которых может быть коммутирован на источник тока, а остальные использованы как измерительные. Использование такого числа электродов и возможных схем их расположения позволяет точно определить участок и тип биологической ткани, состояние которых отличается от нормы. Сигнал регистрируется со всех электродов, как с зондирующих, так и с измерительных, что позволяет проводить сравнительный анализ изменения формы проходящих сигналов, а также их спектров относительно оригинального сигнала. Коммутация электродов, определение формы зондирующего сигнала, количество используемых электродов, характер измерений (мгновенное - все возможные комбинации для 16 электродов не более 0,1 сек, либо мониторирование - наблюдение спектра по 16 каналам) определяется с помощью ПЭВМ. Это позволяет с уверенностью сказать, что предлагаемое устройство является наиболее универсальным для проведения такого рода исследований и может быть применено во многих медицинских направлениях.Increasing the information content of impedance diagnostics, as well as the accuracy of measurements, is carried out through the use of high-speed digital systems that allow us to synthesize and analyze the probe current of any shape, and create a signal consisting of several harmonic components in the frequency range 0-500 kHz. An analysis of such a signal will make it possible to observe the amplitude and phase spectra of the probing current passing through the biological object in real time, which provides information on the state of individual types of biological tissues located in the studied area. The proposed device allows you to measure simultaneously on 16 channels, respectively, the maximum number of electrodes is 16, each of which can be switched to a current source, and the rest are used as measuring. Using such a number of electrodes and possible patterns of their location allows you to accurately determine the site and type of biological tissue, the state of which is different from the norm. The signal is recorded from all electrodes, both probing and measuring, which allows a comparative analysis of the change in the shape of the transmitted signals, as well as their spectra relative to the original signal. Switching the electrodes, determining the shape of the probe signal, the number of electrodes used, the nature of the measurements (instantaneous - all possible combinations for 16 electrodes for no more than 0.1 sec, or monitoring - observing the spectrum over 16 channels) is determined using a PC. This allows us to say with confidence that the proposed device is the most versatile for conducting this kind of research and can be applied in many medical fields.

На фиг. показана структурная схема предлагаемого устройства.In FIG. shows a structural diagram of the proposed device.

Устройство состоит из персонального компьютера 1, к которому подключены: генератор зондирующего тока 2, блок управления 3, аналого-цифровой преобразователь 4; блока коммутации 5, необходимого для коммутации электродов, расположенных на объекте 6, на генератор зондирующего тока 2, либо на измерительный блок 7, блока мультиплексирования каналов 8, осуществляющего мультиплексирование 16-ти каналов на двухканальный АЦП 4 и блока управления мультиплексорами и синхронизации с АЦП 9.The device consists of a personal computer 1, to which are connected: a probe current generator 2, a control unit 3, an analog-to-digital converter 4; the switching unit 5, necessary for switching the electrodes located on the object 6, to the probe current generator 2, or to the measuring unit 7, the channel multiplexing unit 8, multiplexing 16 channels to a two-channel ADC 4 and the control unit for multiplexers and synchronization with the ADC 9 .

Устройство работает следующим образом:The device operates as follows:

С помощью персонального компьютера оператором задается схема проведения измерений, включающая в себя количество участвующих электродов от 2 до 16, параметры их коммутации на источник зондирующего тока 2 и измерительный блок 7. После этого эти параметры передаются в блок управления 3, затем в ПЭВМ 1 формируется массив данных, характеризующих форму используемого сигнала (может быть произвольной в диапазоне частот 0-500 кГц, также выбирается оператором). По окончании формирования массива, ПЭВМ переходит в режим приема данных с АЦП 4, а блок управления 3 ожидает команды начала исследования. При поступлении команды оператора, ПК 1 отправляет сигнал запуска в блок управления 3, микроконтроллер БУ формирует сигналы управления аналоговыми ключами в блоке коммутации электродов 5, при этом один из электродов коммутируется на источник зондирующего тока 2, а остальные на измерительный блок 7, после чего с блока управления 3 подается сигнал на запуск работы блока управления мультиплексорами и синхронизации с АЦП 9. В данном блоке 9 запускается генератор импульсных последовательностей, осуществляющий синхронизацию работы АЦП с работой блока мультиплексирования каналов 8. Начинается процесс регистрации сигнала и поступления его в цифровом виде в ПЭВМ 1. Блок мультиплексирования каналов 8 обеспечивает мультиплексирование 16 в 2, т.е. в нем реализованы два мультиплексора 8 в 1. Два выхода блока мультиплексирования поступают на входы двухканального синхронного АЦП 4, обеспечивающего высокую частоту дискретизации (100 МГц на канал). Блок управления мультиплексорами 9 настроен таким образом, что АЦП 4 работает в режиме по 40 МГц на канал, это связано с возможностями мультиплексоров. Таким образом, каждый измерительный канал оцифровывается с частотой 5 МГц, что вполне достаточно для регистрации сигнала с максимальной частотной составляющей равной 500 кГц. Демультиплексирование потока данных и его дальнейшая обработка осуществляется в ПЭВМ 1. Блок управления после запуска работы блока синхронизации осуществляет временную задержку, необходимую для выборки АЦП определенного количества значений, необходимых для построения амплитудных и фазовых спектров. После этого БУ 3 подает сигнал в ПК 1 об окончании первого цикла измерений, затем БУ коммутирует на генератор зондирующего тока 2 следующий электрод, а остальные соединяет с блоком измерения 7 и цикл повторяется. После того как прошли все циклы (от 1 до 16 по выбору оператора), с блока управления поступает сигнал об окончании измерений в ПК, в котором в дальнейшем и происходит обработка полученных данных. Результаты представляются в виде фазовых и амплитудных спектров для дальнейшей интерпретации оператором.Using a personal computer, the operator sets the measurement scheme, which includes the number of participating electrodes from 2 to 16, their switching parameters to the probe current source 2 and measuring unit 7. After that, these parameters are transferred to control unit 3, then an array is formed in PC 1 data characterizing the shape of the signal used (can be arbitrary in the frequency range 0-500 kHz, also selected by the operator). At the end of the array formation, the PC switches to the mode of receiving data from the ADC 4, and the control unit 3 awaits the command to start the study. Upon receipt of an operator command, PC 1 sends a start signal to control unit 3, the microcontroller BU generates control signals for analog keys in the electrode switching unit 5, with one of the electrodes being switched to the probe current source 2, and the rest to the measuring unit 7, after which of control unit 3, a signal is sent to start the operation of the control unit of multiplexers and synchronization with the ADC 9. In this block 9, a pulse sequence generator is started that synchronizes the operation of the ADC with the work channel multiplexing unit 8. The process of registering a signal and receiving it digitally in PC 1 begins. Channel 8 multiplexing unit provides 16-in-2 multiplexing, i.e. it implements two 8 in 1 multiplexers. Two outputs of the multiplexing unit are fed to the inputs of a two-channel synchronous ADC 4, which provides a high sampling frequency (100 MHz per channel). The control unit of multiplexers 9 is configured in such a way that the ADC 4 operates in a mode of 40 MHz per channel, this is due to the capabilities of the multiplexers. Thus, each measuring channel is digitized with a frequency of 5 MHz, which is quite sufficient for recording a signal with a maximum frequency component of 500 kHz. The demultiplexing of the data stream and its further processing is carried out in PC 1. After the synchronization block is started, the control unit carries out the time delay necessary for sampling the ADC of a certain number of values necessary for constructing the amplitude and phase spectra. After that, the control unit 3 sends a signal to PC 1 about the end of the first measurement cycle, then the control unit switches the next electrode to the probe current generator 2, and connects the rest to the measuring unit 7 and the cycle repeats. After all the cycles have passed (from 1 to 16 at the choice of the operator), a signal is sent from the control unit about the end of the measurements to the PC, in which the data is subsequently processed. The results are presented in the form of phase and amplitude spectra for further interpretation by the operator.

Claims

A device for impedance spectrometry of biological objects, including a probe current generator, electrodes and a measuring unit, characterized in that for the simultaneous use of any forms of the probe current and any frequencies in the range 0-500 kHz, determined by the biological structure of the studied object, the device is equipped with additional electrodes with the possibility of various schemes of their switching, control unit, multiplexing unit, control unit of multiplexers and synchronization with the ADC.