RU2128942C1

RU2128942C1 - Method of measurement of biological object electrical characteristics and device intended for its realization

Info

Publication number: RU2128942C1
Application number: RU97114383A
Authority: RU
Inventors: П.Б. Гладов
Original assignee: Гладов Павел Борисович
Priority date: 1997-08-22
Filing date: 1997-08-22
Publication date: 1999-04-20

Abstract

FIELD: medicine; impedance rheography; galvanopuncture reflexotherapy. SUBSTANCE: method is realized by passing of standard current pulses of preset parameters through object and measuring of impedance resistive component at moment of passing of first half-period of current pulse and impedance capacitive component when second half- period is passed. In this case, pulse form may be rectangular, triangular and sinusoidal, pulse repetition frequency is from 100 Hz to 500 kHz with controllable pulse duration, and pulse amplitude is from 1 to 12 V. Device intended for method realization has controllable generator, electrodes, detector unit, control and display system, and analog commutator. Detector unit includes two detectors connected between active electrode and corresponding outputs of analog commutator, input of which is connected to generator output. Control and display system is made as microprogram controller with analog commutator control circuits and circuits of data exchange with control personal computer. Control and display system also contains two digital buses, each of which is connected to one of amplitude detectors through their digital outputs, and input and output. Input is connected to indifferent electrode and output, to input of controllable generator. EFFECT: enhanced accuracy and truth of measurements. 15 cl, 1 dwg, 4 tbl

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к медицине, а именно к способам измерения электрических характеристик биологических объектов и устройствам для его реализации, и может быть использовано, например: в импендансной реографии, электропунктурной рефлексотерапии и т.д.FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to medicine, namely to methods for measuring the electrical characteristics of biological objects and devices for its implementation, and can be used, for example: in impedance rheography, electropuncture reflexology, etc.

Уровень техники
Известен способ измерения электрических характеристик биологического объекта путем прикладывания к нему импульсов электрических выходных сигналов, пропускания через него стандартных импульсов тока заданных параметров и замер электрических характеристик, при этом, выделяются сигналы, пропорциональные активной и реактивной составляющих импеданса биоткани, и известно устройство для измерения электрических характеристик биологического объекта, включающее управляемый генератор с одним выходом и входом, токовый и индифферентный электроды, блок детекторов и систему управления и отображения (см. Авторское свидетельство СССР N 1311707, МПК A 61 B 5/05, опубл. 1987 ).State of the art
A known method of measuring the electrical characteristics of a biological object by applying pulses of electrical output signals to it, passing standard current pulses of specified parameters through it and measuring electrical characteristics, in this case, signals are proportional to the active and reactive components of the biological tissue impedance, and a device for measuring electrical characteristics is known biological object, including a controlled generator with one output and input, current and indifferent elec genera, the detector unit and control and display system (see. Copyright certificate USSR N 1311707, IPC A 61 B 5/05, publ. 1987).

Недостатком известных способа и устройства является то, что они отображают эффективные значения активной и реактивной составляющих импеданса биоткани, а не пиковые (реальные) значения в данный момент
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является получение комплексной картины электрических свойств исследуемого биологического объекта путем замеров пиковых (реальных) значений этих характеристик в данный момент времени и разработка технического устройства, реализующего получение данной информации в реальном масштабе времени.A disadvantage of the known method and device is that they display the effective values of the active and reactive components of the impedance of the biological tissue, and not the peak (real) values at the moment
SUMMARY OF THE INVENTION
The objective of the present invention is to obtain a comprehensive picture of the electrical properties of the investigated biological object by measuring the peak (real) values of these characteristics at a given time and the development of a technical device that realizes the receipt of this information in real time.

Указанная задача достигается тем, что в способе измерения электрических характеристик биологического объекта путем прикладывания к нему импульсов электрического выходного сигнала заданных параметров, пропускания через него стандартных импульсов тока заданных параметров и замер электрических характеристик, в отличие от способа по прототипу, в момент прохождения импульса тока измеряют омическую составляющую импеданса, а в момент отсутствия импульса тока - емкостную составляющую импеданса. This task is achieved by the fact that in the method of measuring the electrical characteristics of a biological object by applying to it pulses of an electrical output signal of predetermined parameters, passing standard current pulses through it of predetermined parameters and measuring electrical characteristics, in contrast to the prototype method, the current pulse is measured ohmic component of the impedance, and in the absence of a current pulse - the capacitive component of the impedance.

Указанная задача достигается также тем, что во время прохождения положительной составляющей импульса тока через биологический объект измеряют его суммарную электропроводность. This problem is also achieved by the fact that during the passage of the positive component of the current pulse through the biological object, its total electrical conductivity is measured.

А также тем, что во время прохождения отрицательной составляющей импульса тока измеряют суммарную емкостную характеристику биологического объекта. And also by the fact that during the passage of the negative component of the current pulse, the total capacitive characteristic of the biological object is measured.

А также тем, что суммарную емкостную характеристику биологического объекта определяют по току деполяризации. And also by the fact that the total capacitive characteristic of a biological object is determined by the depolarization current.

А также тем, что через биологический объект пропускают импульс тока прямоугольной формы. And also by the fact that a rectangular current pulse is passed through a biological object.

А также тем, что через биологический объект пропускают импульс тока синусоидальной формы. And also by the fact that a sinusoidal current pulse is passed through a biological object.

А также тем, что через биологический объект пропускают импульс тока треугольной формы. And also by the fact that a triangular current pulse is passed through a biological object.

А также тем, что через биологический объект пропускают импульс тока частотой от 100 Гц до 500 кГц. And also by the fact that a current pulse with a frequency from 100 Hz to 500 kHz is passed through a biological object.

А также тем, что к биологическому объекту прикладывают импульс электрического выходного сигнала амплитудой от 1 до 12 В. And also by the fact that a pulse of an electrical output signal with an amplitude of 1 to 12 V is applied to a biological object.

А также тем, что через биологический объект пропускают импульс тока скважностью от 0,5 до 5. And also by the fact that a current pulse is passed through a biological object with a duty cycle from 0.5 to 5.

Указанная задача достигается также тем, что устройство для измерения электрических характеристик биологического объекта, включающее управляемый генератор с одним выходом и входом по крайней мере один токовый и индифферентный электроды, блок детекторов и систему управления и отображения, в отличие от способа по прототипу, снабжено аналоговым коммутатором с двумя выходами и входом, соединенным с выходом управляемого генератора, блок детекторов выполнен в виде двух амплитудных детекторов, имеющих по одному цифровому выходу, и аналоговые входы которых соединены соответственно с одним из выходов аналогового коммутатора, а аналоговые выходы с по крайней мере одним токовым электродом, причем система управления и отображения выполнена в виде микропрограммного контроллера с цепями управления аналоговым коммутатором и с цепями обмена данными с управляющей ПЭВМ, с двумя цифровыми шинами, каждая из которых подключена к одному из амплитудных детекторов через их цифровые выходы, и входом и выходом, первый из которых подключен к индифферентному электроду, а второй - к входу управляемого генератора. This problem is also achieved by the fact that the device for measuring the electrical characteristics of a biological object, including a controlled generator with one output and input of at least one current and indifferent electrodes, a block of detectors and a control and display system, in contrast to the prototype method, is equipped with an analog switch with two outputs and an input connected to the output of a controlled generator, the detector block is made in the form of two amplitude detectors having one digital output, and analog the inputs of which are connected respectively to one of the outputs of the analog switch, and the analog outputs with at least one current electrode, and the control and display system is made in the form of a microprogram controller with control circuits of the analog switch and data exchange circuits with the control PC, with two digital buses , each of which is connected to one of the amplitude detectors through their digital outputs, and input and output, the first of which is connected to an indifferent electrode, and the second to the control input yaemogo generator.

А также тем, что амплитудные детекторы выполнены в виде полупроводниковых диодов. And also the fact that amplitude detectors are made in the form of semiconductor diodes.

А также тем, что аналоговые коммутаторы выполнены в виде интегральных коммутаторов КМОП технологии. And also the fact that analog switches are made in the form of integrated switches of CMOS technology.

А также тем, что управляемый генератор стандартных импульсов выполнен с управляемым формирователем импульсов заданной формы с регулируемой частотой от 100 Гц до 500 кГц и с регулируемой скважностью от 0,5 до 5 и с усилителем-формирователем выходного сигнала с возможностью регулирования посредством микроконтроллера амплитуды выходного сигнала от 1 В до 12 В. And also the fact that the controlled standard pulse generator is made with a controlled pulse shaper of a given shape with an adjustable frequency from 100 Hz to 500 kHz and with an adjustable duty cycle from 0.5 to 5 and with an amplifier-driver of the output signal with the possibility of controlling the amplitude of the output signal by means of a microcontroller from 1 V to 12 V.

А также тем, что аналоговый коммутатор выполнен с двумя каскадами быстродействующих аналоговых ключа. And also the fact that the analog switch is made with two cascades of high-speed analog keys.

На чертеже представлена функциональная схема патентуемого устройства для измерения электрических характеристик биологического объекта, реализующего патентуемый способ. The drawing shows a functional diagram of a patented device for measuring the electrical characteristics of a biological object that implements the patented method.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Патентуемое устройство, реализующее данный способ, состоит из управляемого генератора 1 стандартных импульсов, имеющего один управляющий вход 2 и один выход 3, блок детекторов 4 и 5, имеющих каждый один аналоговый вход 6 и 7 и один аналоговый выход 8 и 9 соответственно. Аналоговые выходы 8 и 9 подключены к по крайней мере одному токовому электроду 10. Устройство содержит также аналоговый коммутатор 11 с одним входом 12, соединенным с выходом 3 управляемого генератора 1, и двумя выходами 13 и 14, подсоединенными к выходам 6 и 7 амплитудных детекторов 4 и 5 соответственно. Устройство включает систему управления и отображения в виде микропрограммного контроллера 15 с входом 16, соединенным с индифферентным электродом 17 и выходом 18, соединенным с входом 2 управляемого генератора 1. Микропрограммный контроллер 15 имеет цепи 19 и 20 обмена данными с управляющей ПЭВМ (не показана) и две цифровые шины 21 и 22, каждая из которых подключена к одному из амплитудных детекторов 4 и 5 через их цифровые выходы 23 и 24. Микропрограммный контроллер 15 имеет также цепи управления аналоговым коммутатором 11 (не показаны). Электроды 10 и 17 приложены к биологическому объекту 25, которым, например, может быть человек. Способ реализуется следующим образом.Information confirming the possibility of carrying out the invention
A patented device that implements this method consists of a controlled standard pulse generator 1 having one control input 2 and one output 3, a block of detectors 4 and 5, each having one analog input 6 and 7 and one analog output 8 and 9, respectively. Analog outputs 8 and 9 are connected to at least one current electrode 10. The device also includes an analog switch 11 with one input 12 connected to output 3 of the controlled generator 1 and two outputs 13 and 14 connected to outputs 6 and 7 of amplitude detectors 4 and 5, respectively. The device includes a control and display system in the form of a microprogram controller 15 with an input 16 connected to an indifferent electrode 17 and an output 18 connected to an input 2 of a controlled generator 1. The microprogram controller 15 has data circuits 19 and 20 with a control PC (not shown) and two digital buses 21 and 22, each of which is connected to one of the amplitude detectors 4 and 5 through their digital outputs 23 and 24. The firmware 15 also has control circuits for the analog switch 11 (not shown). The electrodes 10 and 17 are attached to a biological object 25, which, for example, can be a person. The method is implemented as follows.

На исследуемый биологический объект 25 (в частности, человек) устанавливают на предплечье индифферентный электрод 17 площадью S >10 кв. см, обильно смоченный водой для лучшего контакта, неполяризующиеся хлорсеребряные токовые электроды 10 на биологически активные точки, причем их количество, форма и площадь контакта зависят от конкретной методики проведения исследования. Управление микропрограммным контроллером 15 осуществляется с IBM-PC совместимой ПЭВМ (не показано). С ПЭВМ через цепи 19 и 20 обмена данными задаются форма импульсов, характеристики управляемого генератора 1 и режимы работы аналогового коммутатора 11, затем сигнал заданной формы поступает на биологический объект по цепи: выход 3 генератора 1, вход 12 аналогового коммутатора 11, выход 13 аналогового коммутатора 4 на неполяризующиеся хлорсеребряные токовые электроды 10, биологический объект 25, индифферентный электрод 17, через вход 16 на микропрограммный контроллер 15 и с его выхода 18 на вход 2 управляемого генератор 1. Аналоговый коммутатор 11 по положительной полуволне, что является прохождением первого полупериода импульса тока, выходного импульса пропускает импульс через амплитудный детектор 4 на один из электродов 10, установленных на исследуемую область. При этом амплитудный детектор 4 выделяет активную составляющую импеданса исследуемой области. Далее аналоговый коммутатор 11 при появлении отрицательной полуволны выходного импульса, что является прохождением второго полупериода импульса тока, в реальном масштабе времени пропускает импульс через амплитудный детектор 5. В этом случае амплитудный детектор 5 выделяет емкостную составляющую импеданса исследуемой области соответственно. Емкостную составляющую импеданса предпочтительно определяют по току деполяризации. Полученные величины обрабатываются микроконтроллером 15 и пересылаются в ПЭВМ для последующей обработки и выдачи пиковых (реальных) значений электрических характеристик объекта в реальном масштабе времени. On the biological object under study 25 (in particular, a person), an indifferent electrode 17 with an area of S> 10 square meters is installed on the forearm. cm, liberally moistened with water for better contact, non-polarized silver chloride current electrodes 10 to biologically active points, and their number, shape and contact area depend on the specific research methodology. The firmware controller 15 is controlled with an IBM-PC compatible PC (not shown). With a PC through the data exchange circuits 19 and 20, the shape of the pulses, the characteristics of the controlled generator 1 and the operating modes of the analog switch 11 are set, then the signal of a given shape is fed to the biological object along the circuit: output 3 of the generator 1, input 12 of the analog switch 11, output 13 of the analog switch 4 to non-polarizable silver-silver chloride electrodes 10, biological object 25, indifferent electrode 17, through input 16 to microprogram controller 15 and from its output 18 to input 2 of controlled generator 1. Analog switch 11 via itelnoy half wave, that is the passage of the first half cycle of the current pulse, the output pulse passes through the pulse amplitude detector 4 on one of the electrodes 10 installed on the investigated area. In this case, the amplitude detector 4 selects the active component of the impedance of the investigated region. Next, the analog switch 11, when a negative half-wave of the output pulse appears, which is the passage of the second half-cycle of the current pulse, passes the pulse in real time through the amplitude detector 5. In this case, the amplitude detector 5 extracts the capacitive component of the impedance of the studied region, respectively. The capacitive component of the impedance is preferably determined by the depolarization current. The obtained values are processed by the microcontroller 15 and sent to the PC for subsequent processing and the issuance of peak (real) values of the electrical characteristics of the object in real time.

Прочие особенности и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из приведенного ниже описания предпочтительного варианта реализации патентуемого устройства. Other features and advantages of the present invention will be more apparent from the following description of a preferred embodiment of a patented device.

Описание предпочтительного варианта реализации изобретения. Description of a preferred embodiment of the invention.

Устройство согласно настоящему изобретению состоит из:
управляемого генератора стандартных импульсов тока, содержащего:
- управляемый формирователь импульсов заданной формы с регулируемой частотой импульсов от 100 Гц до 500 кГц и регулируемой скважностью от 0,5 до 5;
- усилитель-формирователь выходного сигнала с возможностью регулирования посредством микроконтроллера амплитуды выходного сигнала от 1 В до 12 В;
амплитудных детекторов для измерения электрических характеристик, содержащих:
- узлы быстрого аналого-цифрового преобразования сигналов для обработки их микроконтроллером;
аналогового коммутатора, содержащего:
- два каскада быстродействующих аналоговых ключа и схемы управления от микроконтроллера;
токовый и индифферентный электроды.The device according to the present invention consists of:
a controlled generator of standard current pulses, containing:
- a controlled pulse shaper of a given shape with an adjustable pulse frequency from 100 Hz to 500 kHz and an adjustable duty cycle from 0.5 to 5;
- an amplifier-driver of the output signal with the ability to control by means of a microcontroller the amplitude of the output signal from 1 V to 12 V;
amplitude detectors for measuring electrical characteristics, containing:
- nodes of fast analog-to-digital conversion of signals for processing them by a microcontroller;
an analog switch containing:
- two cascades of high-speed analog keys and control circuits from the microcontroller;
current and indifferent electrodes.

Функционирование прибора описывается на следующем примере. Возьмем в качестве исследуемого биообъекта человека. На предплечье устанавливаем индифферентный электрод площадью более 10 кв. см, обильно смоченный водой для лучшего контакта, затем на исследуемую область, например биологически активную точку Е36 справа, накладываем точечный хлорсеребряный электрод (для исключения поляризации ткани на границе металл-кожа) с площадью поверхности 1 кв. мм. (сопоставимый с размерами биологически активной точки). Запускаем измерительный комплекс на базе микроконтроллера (5) и управляющей ПЭВМ и зададим, например, режим подачи прямоугольных импульсов скважностью 2 отрицательной полярности и будем варьировать частотой и амплитудой импульсов. Для большей наглядности сведем в таблицу 1 некоторые выборки измеренных данных. The operation of the device is described in the following example. Let us take as a human bioobject under study. On the forearm we set an indifferent electrode with an area of more than 10 square meters. cm, abundantly moistened with water for better contact, then on the studied area, for example, the biologically active point E36 on the right, we apply a silver silver chloride electrode (to exclude tissue polarization at the metal-skin interface) with a surface area of 1 sq. mm (comparable to the size of the biologically active point). We start the measuring complex on the basis of the microcontroller (5) and the control PC and set, for example, the mode of supply of rectangular pulses with a duty cycle of 2 negative polarity and we will vary the frequency and amplitude of the pulses. For greater clarity, we summarize in Table 1 some samples of the measured data.

Как видно из таблицы 1 показатель емкостной составляющей импеданса (С) по току деполяризации жестко связан с частотой и позволяет напрямую судить о суммарных емкостных характеристиках тканей расположенных между электродами. Показатель омической составляющей импеданса (R) отражает суммарную электропроводность (или омическое сопротивление) и в основном зависит от амплитуды импульсов и внутренних свойств тканей. As can be seen from table 1, the indicator of the capacitive component of the impedance (C) by the depolarization current is rigidly related to the frequency and allows you to directly judge the total capacitive characteristics of the tissues located between the electrodes. The index of the ohmic component of the impedance (R) reflects the total electrical conductivity (or ohmic resistance) and mainly depends on the amplitude of the pulses and the internal properties of the tissues.

При пропускании импульсов синусоидальной формы (таблица 2) и импульсов треугольной формы (таблица 3) динамика изменения показателей С и R остается сходной с показателями приведенными в таблице 1. When transmitting sinusoidal pulses (table 2) and triangular pulses (table 3), the dynamics of changes in indicators C and R remains similar to the indicators given in table 1.

Таким же образом выражается зависимость показателей С и R при изменении скважности импульсов, например в (таблице 4) приведены показатели для прямоугольных импульсов и скважности равной 4. In the same way, the dependence of the indicators C and R is expressed when the duty cycle of the pulses changes, for example, (table 4) shows the indicators for rectangular pulses and duty cycle equal to 4.

На основании полученных характеристик в том или другом режиме можно сделать вывод, что наряду с анатомическими факторами (целостность эпидермиса, наличие потовых и сальных желез) основную роль в электрических характеристиках кожных покровов играют физиологические факторы, связанные с основными жизненными процессами (выделение желез, вазомоторные явления, температура кожи, электродвижущие силы, менструальный цикл у женщин и т.п.) и приведенные данные подтверждают это. Based on the characteristics obtained in one mode or another, it can be concluded that along with the anatomical factors (epidermal integrity, the presence of sweat and sebaceous glands), the main role in the electrical characteristics of the skin is played by physiological factors associated with the main life processes (excretion of glands, vasomotor phenomena , skin temperature, electromotive forces, the menstrual cycle in women, etc.) and the data presented confirm this.

Claims

1. A method of measuring the electrical characteristics of a biological object by applying pulses of an electrical output signal of predetermined parameters to it, passing standard current pulses of given parameters through it and measuring electrical characteristics, characterized in that at the moment of passage of the first half-period of the current pulse, the ohmic component of the impedance is measured, and in the moment of passage of the half-cycle of the current pulse is the capacitive component of the impedance.

2. The method according to p. 1, characterized in that during the passage of the positive component of the current pulse through the biological object, its total electrical conductivity is measured.

3. The method according to p. 1, characterized in that during the passage of the negative component of the current pulse measure the capacitive component of the impedance.

4. The method according to claim 3, characterized in that the capacitive component of the impedance of the current depolarization.

5. The method according to one of claims 1 to 4, characterized in that a rectangular current pulse is passed through a biological object.

6. The method according to one of claims 1 to 4, characterized in that a sinusoidal current pulse is passed through a biological object.

7. The method according to one of claims 1 to 4, characterized in that a triangular current pulse is passed through a biological object.

8. The method according to one of claims 1 to 7, characterized in that a current pulse with a frequency of 100 Hz to 500 kHz is passed through a biological object.

9. The method according to one of claims 1 to 8, characterized in that a pulse of an electrical output signal with an amplitude of 1 to 12 V is applied to a biological object.

10. The method according to one of claims 1 to 8, characterized in that a current pulse with an importance of 0.5 to 5 is passed through a biological object.

11. A device for measuring the electrical characteristics of a biological object, including a controlled generator with one output and input, at least one current and indifferent electrodes, a detector unit and a control and display system, characterized in that it is equipped with an analog switch with two outputs and an input, connected to the output of the controlled generator, the detector block is made in the form of two amplitude detectors having one digital output and analog inputs connected respectively to one of the outputs of the analog switch, and the analog outputs with at least one current electrode, and the control and display system is made in the form of a microprogram controller with control circuits of the analog switch and data exchange circuits with the control PC, with two digital buses, each of which is connected to one of the amplitude detectors through their digital outputs, and input and output, the first of which is connected to an indifferent electrode, and the second to the input of a controlled generator.

12. The device according to claim 11, characterized in that the amplitude detectors are made in the form of semiconductor diodes.

13. The device according to one of paragraphs.11 and 12, characterized in that the analog switches are made in the form of integrated switches CMOS technology.

14. The device according to one of paragraphs.11 to 13, characterized in that the controlled standard pulse generator is made with a controlled pulse shaper of a given shape with an adjustable frequency of 100 Hz - 500 kHz and an adjustable duty cycle of 0.5 - 5 and with an amplifier - output signal shaper with the possibility of regulation by means of a microcontroller of the amplitude of the output signal 1 - 12 V.

15. The device according to one of paragraphs.11 to 14, characterized in that the analog switch is made with two cascades of high-speed analog keys.