RU2083157C1 - Apparatus for measuring polarization factor of biological tissues - Google Patents
Apparatus for measuring polarization factor of biological tissues Download PDFInfo
- Publication number
- RU2083157C1 RU2083157C1 RU9494001378A RU94001378A RU2083157C1 RU 2083157 C1 RU2083157 C1 RU 2083157C1 RU 9494001378 A RU9494001378 A RU 9494001378A RU 94001378 A RU94001378 A RU 94001378A RU 2083157 C1 RU2083157 C1 RU 2083157C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- low
- current
- measuring
- electrodes
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к биофизике и медицинской технике и может быть использовано в экспериментальной медицине и в клинике для определения функционального состояния биологических тканей и органов, в частности жизнеспособности. Изобретение позволяет непосредственно измерить коэффициент поляризации биологических тканей, то есть отношение низкочастотного и высокочастотного импедансов и по ее величине судить о функциональном состоянии ткани или о ее жизнеспособности. The invention relates to biophysics and medical technology and can be used in experimental medicine and in a clinic to determine the functional state of biological tissues and organs, in particular vitality. The invention allows you to directly measure the polarization coefficient of biological tissues, that is, the ratio of low-frequency and high-frequency impedances and by its value to judge the functional state of the tissue or its viability.
Известны методы и устройства для определения состояния биологических тканей, в которых физиологическое состояние ткани определяют по показателям структурной поляризации. Known methods and devices for determining the state of biological tissues, in which the physiological state of the tissue is determined by the structural polarization.
Известно устройство для определения состояния биологических объектов "Тонус-2", позволяющее поочередно измерять импеданс биологических объектов на низкой и высокой частотах. Используя результаты измерения на низкой и высокой частотах можно рассчитать коэффициент поляризации биологической ткани K Rнч/Rвч, то есть отношение сопротивления, измеренного на низкой частоте к высокочастотному сопротивлению. По величине коэффициента поляризации биологической ткани можно судить о физиологическом состоянии тканей, в частности о ее жизнеспособности. Устройство содержит генераторы высокой и низкой частот, коммутатор, истоковый повторитель, два электрода для включения исследуемого объекта, усилитель, прецизионный выпрямитель, схему компенсации, нуль-орган, генератор пилообразного напряжения, блок управления, блок связи с транскриптором, блок цифровой индикации.A known device for determining the state of biological objects "Tone-2", which allows to measure the impedance of biological objects in turn at low and high frequencies. Using the results of measurement at low and high frequencies can be calculated the coefficient of biological tissue polarization KR LF / R HF, i.e. the ratio of the resistance measured at a low frequency to the high frequency impedance. By the magnitude of the polarization coefficient of biological tissue, one can judge the physiological state of tissues, in particular, its viability. The device contains high and low frequency generators, a switch, a source follower, two electrodes for switching on the object under study, an amplifier, a precision rectifier, a compensation circuit, a zero-organ, a sawtooth voltage generator, a control unit, a communication unit with a transcriptor, and a digital indication unit.
Использование в кондуктометре "Тонус-2" двухэлектродного метода измерений с дифферентным и индифферентным электродами приводит к тому, что электропроводность исследуемого объекта определяется в основном размерами меньшего, дифферентного, электрода и приэлектродными свойствами биологической ткани. Так как плотность тока уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от дифферентного электрода, то практически измеренная величина сопротивления R или импеданса Z будет в значительной степени определяться сопротивлением слоя кожи при измерениях на поверхности тела или сопротивлением капсул и серозных оболочек органов при интраоперационных измерениях. Использование одних и тех же электродов в качестве токовых и для измерения падения напряжения приводит к тому, что результаты измерений включают и погрешности, обусловленные приэлектродными поляризационными явлениями, которые особенно значительны на низкой частоте. Применение различных электропроводящих паст лишь усложняет процедуру измерений и не исключает поляризационных явлений. Поэтому величина измеряемого коэффициента поляризации очень сильно зависит от приэлектродной поляризации и практически определяется суммой поляризационных явлений объемных свойств исследуемой ткани и приэлектродной поляризации. The use of a two-electrode measurement method with a differential and indifferent electrodes in the Tonus-2 conductometer leads to the fact that the electrical conductivity of the object under study is determined mainly by the size of the smaller, different, electrode and the electrode properties of biological tissue. Since the current density decreases inversely with the square of the distance from the trim electrode, the practically measured value of resistance R or impedance Z will be largely determined by the resistance of the skin layer when measured on the body surface or the resistance of capsules and serous membranes of organs during intraoperative measurements. The use of the same electrodes as current and for measuring the voltage drop leads to the fact that the measurement results also include errors due to near-electrode polarization phenomena, which are especially significant at a low frequency. The use of various electrically conductive pastes only complicates the measurement procedure and does not exclude polarization phenomena. Therefore, the magnitude of the measured polarization coefficient very much depends on the near-electrode polarization and is practically determined by the sum of the polarization phenomena of the bulk properties of the tissue under study and the near-electrode polarization.
Зависимость результатов измерений от силы прижима дифферентного электрода, непостоянство его свойств во времени значительно снижает достоверность определения состояния биологических тканей. Эту сильную зависимость результатов измерений от дифферентного электрода усугубляет длительность процедуры измерений, связанная с необходимостью ручной коммутации генераторов низкой и высокой частот и поочередного измерения и записи показаний низкочастотного и высокочастотного импедансов. При этом возможны изменения положения электрода или силы прижима, обусловленные движениями экспериментатора во время измерений. При проведении измерений на живых объектах происходит изменение приэлектродных свойств и нестабильность измерений, вызванные, например, дыхательными движениями или пульсовыми волнами исследуемого объекта. Ясно, что при определении физиологического состояния тканей и органов по величине коэффициента поляризации, результаты измерений не должны зависеть от свойств электродов или их нестабильности, обусловленных физиологическими факторами. The dependence of the measurement results on the pressure force of the differential electrode, the variability of its properties over time significantly reduces the reliability of determining the state of biological tissues. This strong dependence of the measurement results on the differential electrode is aggravated by the length of the measurement procedure associated with the need for manual switching of low and high frequency generators and alternately measuring and recording low-frequency and high-frequency impedance readings. In this case, changes in the position of the electrode or the force of the clamp due to the movements of the experimenter during the measurements are possible. When conducting measurements on living objects, there is a change in the electrode properties and instability of the measurements caused, for example, by respiratory movements or pulse waves of the studied object. It is clear that when determining the physiological state of tissues and organs by the magnitude of the polarization coefficient, the measurement results should not depend on the properties of the electrodes or their instability due to physiological factors.
Задача предлагаемого устройства исключение влияния физиологических факторов на точность измерения коэффициента поляризации биологических тканей и сокращение времени измерений. The objective of the proposed device is the elimination of the influence of physiological factors on the accuracy of measuring the polarization coefficient of biological tissues and reducing the measurement time.
Решение данной задачи достигается тем, что в устройство для измерения импеданса биологических объектов, содержащее генераторы низкой и высокой частот, два токовых электрода, электронный коммутатор, измерительный усилитель и блок индикации, введены второй коммутатор, выполненный в виде селектора, детекторы низкой и высокой частот, генератор синхроимпульсов, стабилизатор тока, два потенциальных электрода, размещенные совместно с токовыми электродами в измерительном щупе, и измеритель отношения низкочастотного и высокочастотного импедансов. The solution to this problem is achieved by the fact that in the device for measuring the impedance of biological objects, containing low and high frequency generators, two current electrodes, an electronic switch, a measuring amplifier and an indication unit, a second switch made in the form of a selector, low and high frequency detectors, a clock generator, a current stabilizer, two potential electrodes placed together with the current electrodes in the measuring probe, and a low-frequency and high-frequency impedance ratio meter nsov.
На чертеже представлена функциональная блок-схема устройства для измерения коэффициента поляризации биологических тканей. The drawing shows a functional block diagram of a device for measuring the polarization coefficient of biological tissues.
Устройство содержит генератор тока низкой частоты 1, генератор тока высокой частоты 2, электронный коммутатор зондирующего тока 3, стабилизатор измерительного тока 4, выносной измерительный щуп с раздельными токовыми и потенциальными электродами 5, широкополосный измерительный усилитель 6, электронный коммутатор аналоговых сигналов (селектор) 7, тактовый генератор синхроимпульсов 8, детектор низкочастотного сигнала 9, детектор высокочастотного сигнала 10, измеритель отношения низкочастотного и высокочастотного импедансов 11, блок индикации 12. The device comprises a low-frequency current generator 1, a high-frequency current generator 2, an electronic probe current probe 3, a measuring current stabilizer 4, a remote measuring probe with separate current and potential electrodes 5, a broadband measuring amplifier 6, an electronic analog signal switch (selector) 7, clock synchronization generator 8, low-frequency signal detector 9, high-frequency signal detector 10, low-frequency and high-frequency impedance ratio meter 11, indicator block and 12.
Устройство для измерения коэффициента поляризации биологических тканей работает следующим образом. A device for measuring the polarization coefficient of biological tissues works as follows.
Измерительным щупом 5, на котором находятся токовые и потенциальные электроды, касаются поверхности исследуемой ткани. С генератора низкой частоты 1 синусоидальный ток с частотой 3 кГц и с генератора высокой частоты 2 синусоидальный ток с частотой 300 кГц поступают на электронный коммутатор зондирующего тока 3. Электронный коммутатор зондирующего тока 3 поочередно подключает выходы генераторов низкой и высокой частот к электронному стабилизатору измерительного тока 4. К выходу электронного стабилизатора измерительного тока 4 подключены токовые электроды (крайние) измерительного щупа 5. Таким образом, через крайние, токовые электроды в биологическую ткань поочередно поступают пачки импульсов синусоидального измерительного тока низкой и высокой частот одинаковой амплитуды. Частота переключения тока низкой и высокой частот задается тактовым генератором синхронизирующих импульсов 8 и составляет 100 Гц, то есть время действия низкочастотного и высокочастотного сигналов составляет 10 мс. Со средних, потенциальных, электродов щупа 5, находящихся в контакте с биологической тканью, снимается переменное синусоидальное напряжение, частота которого поочередно меняется на низкую и высокую через каждые 5 мс, а амплитуда является функцией электропроводности исследуемой биологической ткани на данной частоте. Таким образом, переменное напряжение, состоящее из чередующихся пачек низкочастотного и высокочастотного сигналов, с различной амплитудой поступает на вход широкополосного усилителя 6. Усиленное напряжение с выхода широкополосного усилителя 6 поступает на электронный коммутатор сигналов (селектор) 7, частота переключения которого синхронизована с работой электронного коммутатора зондирующего тока 3 в генераторной части устройства. Синхронное управление электронными коммутаторами 3 и 7 осуществляется с помощью генератора тактовых импульсов 8. На выходе электронного коммутатора (селектора) 7 разделенные низкочастотный и высокочастотный сигналы детектируются выпрямителем низкочастотного сигнала 9 и выпрямителем высокочастотного сигнала 10. Продетектированные низкочастотный и высокочастотный сигналы поступают на измеритель отношения низкочастотного и высокочастотного импедансов 11, с выхода которого напряжение, пропорциональное отношению Rнч/Rвч, подается на вход усилителя постоянного тока и величину коэффициента поляризации K Rнч/Rвч можно определить по показаниям измерительного микроамперметра.The measuring probe 5, on which the current and potential electrodes are located, touch the surface of the test tissue. From a low-frequency generator 1, a sinusoidal current with a frequency of 3 kHz and from a high-frequency generator 2, a sinusoidal current with a frequency of 300 kHz is supplied to the electronic probe current switch 3. The electronic probe of the probing current 3 alternately connects the outputs of the low and high frequency generators to the electronic measuring current stabilizer 4 . The current electrodes (extreme) of the test probe 5 are connected to the output of the electronic stabilizer of the measuring current 4. Thus, through the extreme current electrodes into the biological tissue bursts of pulses of a sinusoidal measuring current of low and high frequencies of the same amplitude. The switching frequency of the low and high frequency current is set by the clock generator of the synchronizing pulses 8 and is 100 Hz, that is, the duration of the low-frequency and high-frequency signals is 10 ms. From the middle, potential electrodes of probe 5 in contact with biological tissue, an alternating sinusoidal voltage is removed, the frequency of which alternately changes to low and high every 5 ms, and the amplitude is a function of the electrical conductivity of the biological tissue under study at a given frequency. Thus, an alternating voltage, consisting of alternating packs of low-frequency and high-frequency signals, with different amplitudes is fed to the input of the broadband amplifier 6. The amplified voltage from the output of the broadband amplifier 6 is supplied to the electronic signal switch (selector) 7, the switching frequency of which is synchronized with the operation of the electronic switch probe current 3 in the generator part of the device. Synchronous control of electronic switches 3 and 7 is carried out using a clock generator 8. At the output of the electronic switch (selector) 7, the separated low-frequency and high-frequency signals are detected by the low-frequency signal rectifier 9 and the high-frequency signal rectifier 10. The detected low-frequency and high-frequency signals are fed to the low-frequency and high impedances 11, the output of which a voltage proportional relation R LF / R rf is applied to Bx d dc amplifier and the coefficient KR polarization LF / R HF can be determined from the measuring microammeter.
Генераторная часть устройств состоит из двух отдельных самостоятельных генераторов низкой и высокой частот, настроенных соответственно на частоты 3 кГц и 300 кГц. Генератор низкой частоты собран на аналоговой интегральной микросхеме типа К140УД708. Генератор высокой частоты собран по аналогичной схеме с использованием аналоговой микросхемы К544УД2А. В высокочастотном и низкочастотном генераторах предусмотрена возможность регулировки амплитуды выходного напряжения для настройки прибора. Сигналы с выхода генератора низкой и высокой частот подаются на электронный коммутатор зондирующего тока, который выполнен на микросхеме типа К284КН1Б. К выходу электронного коммутатора подключен стабилизатор зондирующего (измерительного) тока, собранный на микросхеме типа К544УД2А. К выходу электронного стабилизатора тока подключаются токовые электроды измерительного щупа. The generator part of the devices consists of two separate independent low and high frequency generators tuned to frequencies of 3 kHz and 300 kHz, respectively. The low-frequency generator is assembled on an analog integrated circuit type K140UD708. The high-frequency generator is assembled in a similar manner using an analog chip K544UD2A. In the high-frequency and low-frequency generators, it is possible to adjust the amplitude of the output voltage to configure the device. The signals from the output of the low and high frequency generator are fed to the electronic probe of the probing current, which is made on a chip type K284KN1B. The stabilizer of the probe (measuring) current connected to the K544UD2A type microcircuit is connected to the output of the electronic switch. The current electrodes of the measuring probe are connected to the output of the electronic current stabilizer.
Измерительная часть устройства для определения коэффициента поляризации биологических тканей состоит из широкополосного усилителя с дифференциальным входом собранного на микросхемах типа К544УД2А. Усиленный сигнал, состоящий из чередующихся пачек низкочастотного и высокочастотного синусоидальных напряжений, амплитуда которого является функцией электропроводности биообъекта, на данной частоте поступает на вход электронного коммутатора (селектора), собранного на микросхеме типа К248КН1Б. Частота переключений электронного коммутатора (селектора) в измерительной части устройства синхронизирована с частотой переключений электронного коммутатора зондирующего тока в генераторной части устройства. Разделенные пачки импульсов низкочастотного и высокочастотного сигналов поступают соответственно на детекторы низкой и высокой частот, выполненные по стандартной схеме. Постоянная составляющая продетектированных сигналов низкочастотного и высокочастотного напряжения поступают в измеритель отношения низкочастотного и высокочастотного импедансов, выполненный на двух микросхемах типа К140УД708 и двух полевых транзисторах типа К303В. Принцип действия вычислителя основан на линейной зависимости проводимости канала полевого транзистора от напряжения на его затворе. Включение транзистора в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя приводит к обратно пропорциональной зависимости его коэффициента усиления по низкочастотному напряжению (с выхода низкочастотного детектора) от приложенного к затвору напряжения (с выхода высокочастотного детектора), то есть приводит к функции K Uнч/Uвч. С выхода измерителя отношения низкочастотного и высокочастотного импедансов сигнал, пропорциональный отношению низкочастотного и высокочастотного сопротивлений биообъекта Rнч/Rвч, поступает на усилитель постоянного тока, выполненный на микросхеме типа УД708. Величина "коэффициента поляризации", то есть отношение низкочастотного сопротивления биологической ткани к высокочастотному сопротивлению, определяется по показаниям стрелочного магнитоэлектрического индикатора.The measuring part of the device for determining the polarization coefficient of biological tissues consists of a broadband amplifier with a differential input assembled on type K544UD2A microcircuits. An amplified signal consisting of alternating bursts of low-frequency and high-frequency sinusoidal voltages, the amplitude of which is a function of the electrical conductivity of a biological object, at this frequency is fed to the input of an electronic switch (selector) assembled on a K248KN1B type microcircuit. The switching frequency of the electronic switch (selector) in the measuring part of the device is synchronized with the switching frequency of the electronic switch of the probing current in the generator part of the device. Separated bursts of pulses of low-frequency and high-frequency signals arrive respectively at low and high frequency detectors, made according to the standard scheme. The constant component of the detected low-frequency and high-frequency voltage signals is supplied to the low-frequency and high-frequency impedance ratio meter, made on two K140UD708 type microcircuits and two K303B type field-effect transistors. The principle of operation of the calculator is based on a linear dependence of the conductivity of the channel of the field-effect transistor on the voltage at its gate. Enabling transistor operational amplifier negative feedback circuit leads to be inversely proportional to its gain depending on a low frequency voltage (output from the low-frequency detector) of the voltage applied to the gate (from the output of frequency detector), i.e. leads to a low-frequency function KU / U HF. From the output meter relationship of low- and high impedance signal proportional to the relative low and high resistances R bioobject LF / R HF, is fed to a DC amplifier arranged on a chip type UD708. The value of the "polarization coefficient", that is, the ratio of the low-frequency resistance of biological tissue to high-frequency resistance, is determined by the readings of a magnetoelectric indicator.
Синхронное управление электронными ключами в генераторной и в измерительной частях устройства осуществляется с помощью генератора прямоугольных импульсов, выполненного на двух микросхемах. Частота следования симметричных прямоугольных импульсов 100 Гц. Таким образом, длительность измерения на низкой и высокой частотах составляет 1/200 с, то есть 5 мс. Synchronous control of electronic keys in the generator and in the measuring parts of the device is carried out using a rectangular pulse generator, made on two microcircuits. The repetition rate of symmetrical rectangular pulses of 100 Hz. Thus, the measurement duration at low and high frequencies is 1/200 s, i.e. 5 ms.
Использование четырехэлектродной схемы измерений и электронная коммутация в предлагаемом устройстве ускорили процесс измерения и обработки данных низкочастотной и высокочастотной электропроводности таким образом, что результаты измерения коэффициента поляризации биологического объекта, а следовательно, и функционального состояния тканей и органов не зависят от силы прижима электродов или колебаний, связанных с ритмом дыхания или пульсовыми волнами. The use of a four-electrode measurement circuit and electronic switching in the proposed device accelerated the process of measuring and processing low-frequency and high-frequency electrical conductivity data in such a way that the results of measuring the polarization coefficient of a biological object, and therefore, the functional state of tissues and organs, do not depend on the pressure force of the electrodes or vibrations associated with breathing rhythm or pulse waves.
Предлагаемое техническое решение позволяет быстро и с высокой точностью определять физиологическое состояние тканей и органов (жизнеспособность) и может найти широкое применение при интраоперационной диагностике различных заболеваний. The proposed technical solution allows you to quickly and with high accuracy to determine the physiological state of tissues and organs (viability) and can be widely used for intraoperative diagnosis of various diseases.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU9494001378A RU2083157C1 (en) | 1994-01-13 | 1994-01-13 | Apparatus for measuring polarization factor of biological tissues |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU9494001378A RU2083157C1 (en) | 1994-01-13 | 1994-01-13 | Apparatus for measuring polarization factor of biological tissues |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU94001378A RU94001378A (en) | 1996-05-20 |
| RU2083157C1 true RU2083157C1 (en) | 1997-07-10 |
Family
ID=20151493
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU9494001378A RU2083157C1 (en) | 1994-01-13 | 1994-01-13 | Apparatus for measuring polarization factor of biological tissues |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2083157C1 (en) |
-
1994
- 1994-01-13 RU RU9494001378A patent/RU2083157C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Алейников А.Ф. и др. Портативный кондуктометр "Тонус-2"//Контроль и диагностика сельскохозяйственных объектов (сб.научн.тр.). - Новосибирск: изд-во СО ВАСХНИЛ, 1981, с.16 - 21. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU94001378A (en) | 1996-05-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| AU659111B2 (en) | A device for measurement of electrical impedance of organic and biological materials | |
| JP3907353B2 (en) | Bioimpedance measurement device | |
| JPH1014898A (en) | Bioelectric impedance measuring device | |
| US5339827A (en) | Acupuncture system and method | |
| EP1818010A3 (en) | Device for determining the concentration of a substance in body liquid | |
| RU2083157C1 (en) | Apparatus for measuring polarization factor of biological tissues | |
| Nebuya et al. | Measurement of high frequency electrical transfer impedances from biological tissues | |
| Waterworth et al. | Cole equation modelling to measurements made using an impulse driven transfer impedance system | |
| Kim et al. | Development of bioelectric impedance measurement system using multi-frequency applying method | |
| Connelly et al. | The continuous measurement of resistivity and permittivity of human blood plasma during coagulation | |
| SU1759402A1 (en) | Device for measuring active and reactive components of biological tissue impedance | |
| Fiorito et al. | Analogue and digital instruments for non-invasive estimation of muscle fibre conduction velocity | |
| RU2026004C1 (en) | Device for measuring friability of epithelial tissue of alimentary canal | |
| Mungall et al. | Measurement of the dielectric properties of blood | |
| RU2134533C1 (en) | Device for determination of cutaneous blood flow | |
| RU2082315C1 (en) | Device for setting diagnosis based on biologically active points state | |
| RU2664633C2 (en) | Device for measuring electrical impedance in parts of body | |
| RU2053711C1 (en) | Device for measuring electric conductivity of skin | |
| Rahi̇Mov et al. | INVESTIGATION OF TECHNICAL MEANS OF DETERMINING THE QUASI-STATIC RESISTANCE OF THE HUMAN BODY | |
| RU2107487C1 (en) | Method and device for performing electroacupuncture diagnosis procedure taking into account mechanical and electric properties of acupuncture points | |
| Pliquett et al. | Body Impedance Spectroscopy Based on Electrical Relaxation Behavior: Advantages and Challenges. | |
| SU1615628A1 (en) | Apparatus for determining electric resistance of object having liquid component | |
| SU922772A1 (en) | Device for processing data of neuropharmacological investigations | |
| RU2268644C2 (en) | Method of measurement of electric-skin resistance of acupuncture points, device and method for the realization of the methods (versions) | |
| RU2195867C1 (en) | Device for measurement of electrodermal resistance |