RU2330608C2 - Method and device for diagnostics of tooth solid tissues state (bioobjects) - Google Patents
Method and device for diagnostics of tooth solid tissues state (bioobjects) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2330608C2 RU2330608C2 RU2005137558/14A RU2005137558A RU2330608C2 RU 2330608 C2 RU2330608 C2 RU 2330608C2 RU 2005137558/14 A RU2005137558/14 A RU 2005137558/14A RU 2005137558 A RU2005137558 A RU 2005137558A RU 2330608 C2 RU2330608 C2 RU 2330608C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resistance
- dynamic
- balancing
- analog
- digital
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение «Способ и устройство измерения сопротивления твердых тканей зубов биообъектов» относится к медицине и может быть использовано в стоматологии для измерения сопротивления твердых тканей зубов биообъектов в целях диагностики их состояния как до и во время лечения, так и для контроля результатов лечения посредством постоянного зондирующего электрического сигнала, а также для измерения сопротивлений тканей других биологических объектов. Известен способ, в котором для диагностики состояния тканей зубов, воздействуют на исследуемую локальную область зуба постоянным электрическим зондирующим сигналом с последующим измерением силы тока на выходе исследуемой локальной области зуба посредством пассивного и активного электродов и измерительного прибора. По величине измеренного тока диагностируют состояние тканей исследуемых зубов (см., например, А.с. №2239357, кл. А61В 5/05, «Способ диагностики деминерализации эмали постоянного зуба» авторы Рамм Н.Л., Кисельникова Л.П. дата публ. 2004.04.27, А.с. №1822747, кл. А61В 5/05 «Способ диагностики кариеса». Авторы В.К.Леонтьев, Т.Н.Жорова, Г.Г.Иванова и А.И.Иванов, дата публ. 23.06.93. Бюл. №23).The invention “Method and device for measuring the resistance of hard tissues of teeth of bioobjects” relates to medicine and can be used in dentistry to measure the resistance of hard tissues of teeth of bioobjects in order to diagnose their condition both before and during treatment, and to monitor the results of treatment by means of a constant probe electric signal, as well as for measuring the resistance of tissues of other biological objects. There is a method in which to diagnose the state of tooth tissue, they act on the studied local area of the tooth with a constant electric probe signal, followed by measuring the current strength at the output of the studied local area of the tooth using passive and active electrodes and a measuring device. According to the magnitude of the measured current, the condition of the tissues of the teeth being examined is diagnosed (see, for example, A.S. No. 2239357, class A61B 5/05, "Method for the diagnosis of demineralization of permanent tooth enamel" authors Ramm N.L., Kiselnikova L.P. date publ. 2004.04.27, AS No. 1822747,
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является А.с. №1822747, кл. А61В 5/05 «Способ диагностики кариеса». Авторы В.К.Леонтьев, Т.Н.Жорова, Г.Г.Иванова и А.И.Иванов, дата публ. 23.06.93. Бюл. №23. Согласно способу посредством активного и пассивного электродов пропускают через твердые ткани исследуемого зуба электрический ток силой 100 мкА при напряжении 3 В в период прорезывания зуба, затем через 4 и 5 месяцев по изменению электропроводности диагностируют состояние тканей исследуемого зуба.The closest in technical essence to the proposed method is A. with. No. 1822747, cl. АВВ 5/05 "Method for the diagnosis of caries." Authors V.K.Leontiev, T.N. Zhorova, G.G. Ivanova and A.I. Ivanov, date publ. 06/23/93. Bull. Number 23. According to the method, an active current of 100 μA at 3 V during teething is passed through the hard tissues of the tooth under study using active and passive electrodes, then after 4 and 5 months the condition of the tissues of the tooth being examined is diagnosed by a change in electrical conductivity.
Однако в существующих способах не указан способ измерения тока, а указаны только нормирующие значения тока, при которых осуществляется постановка диагноза. Использование стандартного способа и устройства измерения силы тока в прототипе из-за значительной погрешности измерения тока (десятые и сотые доли мкА) и зависимости результатов измерения силы тока от стабильности источника напряжения, формирующего электрический зондирующий сигнал, влечет за собой низкую достоверность диагностики. Низкая достоверность диагностики обусловлена большой вариабельностью и, следовательно, плохой воспроизводимостью результатов измерения. Применение стандартных устройств, например прибора типа М-2001, указанного в прототипе, приводит к возникновению дополнительных погрешностей смещения, в том числе за счет возникновения эффекта поляризации в контакте активный электрод - исследуемый биообъект.However, the existing methods do not indicate a method for measuring current, but indicate normalizing current values at which a diagnosis is made. Using the standard method and device for measuring the current strength in the prototype due to the significant error in measuring the current (tenths and hundredths of a μA) and the dependence of the results of measuring the current strength on the stability of the voltage source forming the electrical probing signal, entails a low reliability of the diagnosis. The low reliability of the diagnosis is due to the large variability and, therefore, poor reproducibility of the measurement results. The use of standard devices, for example, an instrument of the type M-2001, indicated in the prototype, leads to the appearance of additional bias errors, including due to the appearance of the polarization effect in the contact between the active electrode and the studied biological object.
Кроме того, погрешность и нестабильность измерения силы тока малого уровня значительно сокращает допустимый динамический диапазон измерения с заданной погрешностью. Снижение допустимого динамического диапазона измерения приводит к сокращению функциональных возможностей диагностики различных стадий, видов и форм заболевания зубов кариесом с допустимой достоверностью и к ограничению сферы применения предложенного способа для диагностики других биообъектов.In addition, the error and instability of measuring the current strength of a small level significantly reduces the allowable dynamic range of measurement with a given error. Reducing the permissible dynamic range of measurement leads to a reduction in the diagnostic capabilities of various stages, types and forms of dental caries with acceptable reliability and to limiting the scope of the proposed method for the diagnosis of other biological objects.
Известно, что прямым показателем состояния тканей зубов является активное сопротивление, которое непосредственно зависит от патологических изменений состояния и структуры канальцев, составляющих основу дентина. См., например, статью Батюкова Н.М., Ивановой Г.Г., Тихонова Э.П., Касумовой М.К., Мчедлидзе Т.Ш., Тихонова Э.П. «Системный анализ твердых тканей зубов на основе оптического, рентгеновского и электрического сигналов» - Институт стоматологии, №1 (34), 2007 г., с.102-104. Установлено, что динамический диапазон возможных значений в целях диагностики измеряемого активного сопротивления (в дальнейшем просто сопротивления) состояния твердых тканей зубов биообъектов перекрывает величину 108 при допустимом максимальным токе зондирующего электрического сигнала, не превышающем 100 мкА, на 3-х В на нижней границе динамического диапазона измеряемого активного сопротивления. Минимальный ток зондирующего сигнала определяется чувствительностью технического устройства, посредством которого выполняется измерение сопротивления на верхней границе динамического диапазона. На верхней границе динамического диапазона в 100 мОм при установленных ограничениях на верхний предел напряжения зондирующего сигнала в 3 В снижение тока, проходящего через исследуемую локальную область зуба или других биообъектов, достигает величин, лежащих вне предела чувствительности, установленных даже у современных цифровых измерительных устройств. Кроме того, величина тока становится соизмеримой с величиной нестабильности образцового источника тока, формирующего зондирующий электрический сигнал. Проблема измерения величины сопротивления для прохождения тока через твердые ткани зубов биообъектов, возникает не только из-за конечной чувствительности устройств измерения высокоомных сопротивлений резисторов, а также из-за влияния других факторов, в том числе конечного значения сопротивления изоляции, например сопротивления изоляции печатной платы, на которой устанавливаются при монтаже электронные компоненты схемы. В частности, при использовании четырехплечего резистивного моста для того, чтобы определить разбалансировку моста в 1 кОм на фоне измеряемого сопротивления прохождению тока биообъекта в 5·107 Ом при указанных параметрах электрического зондирующего сигнала, необходимо, чтобы нуль-орган, включенный в диагональ моста, почувствовал бы сигнал в 3,6·10-2 мкВ. Такую высокую чувствительность при обычном схемотехническом решении практически невозможно получить даже при использовании таких современных электронных компонентов, как инструментальный усилитель типа INA 118 фирмы BURR-BROWN Corporation и нуль-орган типа LP311.It is known that a direct indicator of the state of tooth tissue is active resistance, which directly depends on pathological changes in the condition and structure of the tubules that make up the basis of dentin. See, for example, an article by Batyukov N.M., Ivanova G.G., Tikhonova E.P., Kasumova M.K., Mchedlidze T.Sh., Tikhonova E.P. “Systematic analysis of dental hard tissues based on optical, x-ray and electrical signals” - Institute of Dentistry, No. 1 (34), 2007, p.102-104. It has been established that the dynamic range of possible values in order to diagnose the measured active resistance (hereinafter simply referred to as resistance) of the state of hard tissues of the teeth of biological objects covers a value of 10 8 with a permissible maximum current of the probing electric signal not exceeding 100 μA by 3 V at the lower boundary of the dynamic range of measured resistance. The minimum current of the probe signal is determined by the sensitivity of the technical device by which the resistance is measured at the upper boundary of the dynamic range. At the upper boundary of the dynamic range of 100 mOhm, with established restrictions on the upper limit of the voltage of the probing signal of 3 V, the decrease in the current passing through the studied local area of the tooth or other biological objects reaches values that are outside the sensitivity limit established even for modern digital measuring devices. In addition, the magnitude of the current becomes commensurate with the magnitude of the instability of the reference current source forming the probing electrical signal. The problem of measuring the magnitude of the resistance for the passage of current through the hard tissues of the teeth of biological objects, arises not only because of the finite sensitivity of the devices for measuring the high-resistance resistances of resistors, but also because of the influence of other factors, including the final value of the insulation resistance, for example, the insulation resistance of the printed circuit board, on which the electronic components of the circuit are installed during installation. In particular, when using a four-arm resistive bridge, in order to determine the imbalance of the bridge at 1 kOhm against the background of the measured resistance to the passage of the bioobject current at 5 · 10 7 Ohms with the indicated parameters of the electric sounding signal, it is necessary that the null-organ included in the diagonal of the bridge, I would feel a signal of 3.6 · 10 -2 μV. Such a high sensitivity with a conventional circuitry solution is almost impossible to obtain even with the use of modern electronic components such as an instrument amplifier type INA 118 from BURR-BROWN Corporation and a zero-organ type LP311.
Поэтому в указанных условиях возникает проблема поиска способов и устройств прямого цифрового измерения сопротивлений биообъектов в широком динамическом диапазоне с заданной приведенной погрешностью измерения.Therefore, under these conditions, the problem arises of finding methods and devices for direct digital measurement of the resistance of biological objects in a wide dynamic range with a given reduced measurement error.
Известны способы измерения активного сопротивления в цифровой форме посредством применения дельта-сигма АЦП совместно с мостами сопротивлений (см., например, стр.373-379 книги: «Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC»: Пер. с англ. / Под редакцией У.Томпкинса и Дж. Уэбстера. - М.: «Мир», 1992. - 592 с, ил., а также статью «Особенности применения дельта-сигма АЦП совместно с мостами сопротивлений в измерительных устройствах». Павел Вовк, «Чип Ньюс Украина», №2 (42), март 2005 г.). Цифровая форма представления результатов измерения приводит к уменьшению погрешности измерения и к расширению динамического диапазона измеряемой величины, в том числе сопротивления.Known methods for measuring the active resistance in digital form by using the delta-sigma ADC together with resistance bridges (see, for example, pages 373-379 of the book: “Pairing sensors and data input devices with IBM PC computers”: Transl. From English / Edited by W. Tompkins and J. Webster. - M .: Mir, 1992. - 592 s, ill., As well as the article "Features of the use of delta-sigma ADC together with resistance bridges in measuring devices." Pavel Vovk, " Chip News Ukraine ”, No. 2 (42), March 2005). The digital form of presentation of the measurement results leads to a decrease in the measurement error and to the expansion of the dynamic range of the measured value, including resistance.
Однако в указанных способах измерение сопротивления и преобразование его в цифровой код осуществляется косвенно, то есть преобразуется в цифровой код электрический сигнал, пропорциональный разбалансировке резистивного моста, что приводит к ограничению допустимого динамического диапазона искомого сопротивления и точности его измерения. Снижение точности цифрового измерения сопротивления известными способами и устройствами в широком динамическом диапазоне (от десятков единиц Ом до 108 Ом и выше) связано также с ограничениями зондирующего тока, проходящего через исследуемую область биообъекта, которая не должна превышать 100 мкА на нижнем пределе динамического диапазона. В этих условиях основные факторы, приводящие к увеличению погрешности цифрового измерения сопротивления исследуемых локальных областей биообъектов, известными способами фактически не могут быть устранены в достаточной мере для проведения достоверной диагностики состояния биообъектов. К этим основным факторам, влияющим на достоверность диагностики, при использовании известных способов цифрового измерения или аналого-цифрового преобразования сопротивлений биообъектов следует, в первую очередь, отнести: воздействие высокочастотных шумов; нестабильность источника электрического зондирующего сигнала; наличие синфазного сигнала (наводка силовой сети с частотой 50 Гц); смещение и дрейф нуля аналоговых элементов (усилителей). Наиболее существенный дестабилизирующий фактор связан с влиянием на результаты измерения высокочастотных шумов.However, in these methods, the measurement of resistance and its conversion into a digital code is carried out indirectly, that is, an electrical signal is converted into a digital code, which is proportional to the imbalance of the resistive bridge, which limits the allowable dynamic range of the desired resistance and the accuracy of its measurement. The decrease in the accuracy of digital resistance measurement by known methods and devices in a wide dynamic range (from tens of Ohms to 10 8 Ohms and above) is also associated with the limitations of the probing current passing through the studied area of the biological object, which should not exceed 100 μA at the lower limit of the dynamic range. Under these conditions, the main factors leading to an increase in the error of digital measurement of the resistance of the studied local areas of biological objects, by known methods, cannot actually be sufficiently eliminated to conduct reliable diagnostics of the state of biological objects. When using known methods of digital measurement or analog-to-digital conversion of the resistance of biological objects, these main factors affecting the reliability of diagnostics should include, first of all, the influence of high-frequency noise; instability of the source of the electrical sounding signal; the presence of an in-phase signal (induction of a power network with a frequency of 50 Hz); offset and zero drift of analog elements (amplifiers). The most significant destabilizing factor is associated with the influence of high-frequency noise on the measurement results.
Известно мостовое устройство для многоточечного определения импедансных характеристик биообъектов (а.с. №2104668, кл. 6 А61В 5/05, опубл. 1998.02.20). Данное устройство с целью расширения функциональных возможностей и повышения точности измерения импедансных характеристик биообъектов содержит: генератор переменного напряжения; четырехплечую мостовую измерительную цепь, образованную первым, вторым и третьим элементами; первый и второй операционный усилитель; масштабный усилитель, вход которого соединен с выходом второго операционного усилителя; амплитудный выпрямитель, вход которого соединен с выходом масштабного усилителя; АЦП, вход которого соединен с выходом амплитудного выпрямителя; вычислительное устройство, вход которого соединен с выходом АЦП; два мультиплексора, одноименные входы которых соединены параллельно. Выход первого мультиплексора соединен с выходом второго операционного усилителя и входом масштабного усилителя, а выход второго мультиплексора соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя и выводом первого элемента четырехплечей мостовой измерительной цепи. Первый выход вычислительного устройства соединен с выходом управления первого элемента, а третий выход с входом управления третьего элемента четырехплечей мостовой измерительной цепи. Четвертый выход вычислительного устройства соединен с входом управления масштабного усилителя, а n-е число измерительных электродов соединены с входами мультиплексоров.Known bridge device for multi-point determination of the impedance characteristics of biological objects (AS No. 2104668,
Недостатком данного устройства является использование переменного электрического зондирующего сигнала, что влечет за собой необходимость использования для измерения активной составляющей импеданса биообъекта дополнительных преобразований и, тем самым, таких элементов схемы устройства, как генератор и амплитудный выпрямитель, что приводит к увеличению погрешности измерения активной составляющей погрешности измерения. Кроме того, реализация в мостовой схеме известного способа цифрового измерения импеданса, в том числе активной составляющей, осуществляется косвенно, то есть преобразуется в цифровой код электрический сигнал, пропорциональный разбалансировке резистивного моста, что приводит к дополнительному снижению допустимого динамического диапазона искомого активного сопротивления и точности его измерения. Увеличение числа электродов для исключения влияния импеданса кожи на точность цифрового измерения активной составляющей импеданса при измерении активного сопротивления тканей зубов не может быть применено из-за невозможности использования n-го числа активных электродов.The disadvantage of this device is the use of an alternating electric sounding signal, which entails the need to use additional measurements for measuring the active component of the impedance of the biological object and, therefore, such elements of the device circuit as the generator and amplitude rectifier, which leads to an increase in the measurement error of the active component of the measurement error . In addition, the implementation in the bridge circuit of the known method of digital measurement of impedance, including the active component, is carried out indirectly, that is, the electrical signal is proportional to the imbalance of the resistive bridge, which leads to an additional decrease in the allowable dynamic range of the desired active resistance and its accuracy measurements. An increase in the number of electrodes to exclude the influence of skin impedance on the accuracy of digital measurement of the active component of the impedance when measuring the resistance of tooth tissues cannot be applied due to the impossibility of using the nth number of active electrodes.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является изобретение: «Устройство для измерения активной и емкостной составляющих импеданса биологических тканей» RU №2196404 С2, кл. А61В 5/053, 20.01.2003, которое относится к биофизике и медицинской технике и может быть использовано в медицине для экспресс-диагностики различных заболеваний и количественной оценки степени патологических изменений в тканях и органах. Устройство работает по четырехэлектродной схеме и состоит из генератора синусоидальных напряжений, широкополосного усилителя с автоматической регулировкой усиления для поддерживания измерительного тока заданной амплитуды, фазочувствительного измерителя разности двух напряжений, усилителя постоянного напряжения, блока индикации, а также блоков цепей обратной связи и управления.The closest in technical essence to the proposed invention is the invention: "Device for measuring the active and capacitive components of the impedance of biological tissues" RU No. 2196404 C2, class. A61B 5/053, 01.20.2003, which relates to biophysics and medical technology and can be used in medicine for rapid diagnosis of various diseases and quantitatively assess the degree of pathological changes in tissues and organs. The device operates on a four-electrode circuit and consists of a sinusoidal voltage generator, a broadband amplifier with automatic gain control to maintain a measuring current of a given amplitude, a phase-sensitive difference meter of two voltages, a constant voltage amplifier, an indication unit, and feedback and control circuit blocks.
Недостатком данного устройства, так же как и устройства по а.с. №2104668, является использование переменного электрического зондирующего сигнала, что влечет за собой необходимость использования для измерения активной составляющей импеданса биообъекта дополнительного аналогового преобразования на фазочувствительном измерителе разности падения напряжения на исследуемом участке биообъекта с последующим усилением и аналого-цифровым преобразованием полученной усиленной разности напряжения, что приводит к существенному увеличению погрешности измерения активной составляющей погрешности измерения. Действительно, преимущество цифрового измерения в данном случае сводится только к удобству представления результатов измерения в цифровой форме и не оказывает влияние на снижение погрешности измерения. Кроме того, реализация в предложенной схеме цифрового измерения импеданса, в том числе активной составляющей, осуществляется косвенно, то есть преобразуется в цифровой код электрический сигнал, пропорциональный разбалансировке резистивного моста, что приводит к дополнительному снижению допустимого динамического диапазона искомого активного сопротивления и точности его измерения. Данная схема измерений, к тому же, не устраняет составляющую погрешности, возникающую из-за нестабильности источника зондирующего электрического сигнала.The disadvantage of this device, as well as the device for A.S. No. 2104668, is the use of an alternating electric sounding signal, which entails the need to use for measuring the active component of the impedance of the bioobject an additional analog conversion on the phase-sensitive meter of the voltage drop difference in the studied area of the biological object with subsequent amplification and analog-to-digital conversion of the obtained amplified voltage difference, which leads to a significant increase in the measurement error of the active component of the measurement error . Indeed, the advantage of digital measurement in this case is reduced only to the convenience of presenting the measurement results in digital form and does not affect the reduction of measurement error. In addition, the implementation in the proposed scheme of digital measurement of impedance, including the active component, is carried out indirectly, that is, an electrical signal that is proportional to the imbalance of the resistive bridge is converted to a digital code, which leads to an additional decrease in the allowable dynamic range of the desired active resistance and the accuracy of its measurement. This measurement scheme, moreover, does not eliminate the error component that arises due to the instability of the source of the probing electrical signal.
Увеличение числа электродов для исключения влияния импеданса кожи на точность цифрового измерения активной составляющей импеданса при измерении активного сопротивления тканей зубов не может быть применено из-за сложности установки соответствующего числа электродов на зубе. Следует также заметить, что влияние электрических свойств границы раздела электрод - биологическая ткань оказывает существенное влияние на измерение активной составляющей импеданса в том случае, когда измеряемая активная составляющая импеданса по величине соизмерима с активной составляющей импеданса границы раздела электрод - биологическая ткань. Активное сопротивление тканей зубов электрическому току, даже при их патологическом разрушении, существенно превышает соответствующую составляющую сопротивления границы раздела, так как при измерении активной составляющей сопротивления тканей зубов в качестве активного электрода используется сточенная игла шприца, заполненного калием хлорида, что приводит к значительному уменьшению активной и реактивной составляющих импеданса границы раздела электрод - ткани зуба по сравнению с измеряемым сопротивлением.An increase in the number of electrodes to exclude the influence of skin impedance on the accuracy of digital measurement of the active component of the impedance when measuring the resistance of tooth tissues cannot be applied due to the difficulty of installing the corresponding number of electrodes on the tooth. It should also be noted that the influence of the electrical properties of the electrode - biological tissue interface has a significant effect on the measurement of the active component of the impedance in the case when the measured active component of the impedance is comparable in magnitude with the active component of the impedance of the electrode - biological tissue interface. The active resistance of tooth tissues to electric current, even if they are pathologically destroyed, significantly exceeds the corresponding component of the interface resistance, since when measuring the active component of tooth tissue resistance, the sharpened needle of a syringe filled with potassium chloride is used as the active electrode, which leads to a significant decrease in the active and reactive components of the impedance of the electrode - tooth tissue interface compared with the measured resistance.
Таким образом, указанные известные способы и устройства не могут обеспечить цифровое измерение сопротивления тканей зубов в динамическом диапазоне от десятков до 108 Ом при максимальном значении тока зондирующего сигнала на нижнем значении динамического диапазона сопротивлений, равном 100 мкА, даже при напряжении зондирующего электрического сигнала более рекомендованного 3 В, но не превышающем допустимое напряжение в 8-9 В. При этом влияние основных схемотехнических факторов на погрешность цифрового измерения сопротивления исследуемых локальных областей зуба известными способами и устройствами невозможно устранить, по крайней мере, за время, не превышающее нескольких секунд.Thus, these known methods and devices cannot provide digital measurement of tooth tissue resistance in the dynamic range from tens to 10 8 Ohms with a maximum value of the probe signal current at the lower value of the dynamic resistance range of 100 μA, even when the probe electric signal voltage is more than recommended 3 V, but not exceeding the permissible voltage of 8-9 V. Moreover, the influence of the main circuitry factors on the error of the digital measurement of the resistance of the investigated local areas of the tooth by known methods and devices cannot be eliminated, at least for a time not exceeding a few seconds.
Заявляемая группа изобретений предназначена для решения задачи снижения погрешности измерения сопротивления твердых тканей зубов биообъектов электрическому сигналу и, тем самым, способствует повышению достоверности, воспроизводимости и надежности диагностики состояния твердых тканей зубов биообъектов, в том числе, при обнаружении ранних стадий кариеса. Заявляемая группа изобретений сможет обеспечить также контроль состояния тканей зубов по величине изменения их сопротивления в процессе лечения и профилактики посредством применения зондирующего постоянного электрического сигнала с низком уровнем напряжения. Кроме того, расширяются функциональные возможности диагностики и номенклатуры исследуемых биообъектов за счет увеличения динамического диапазона измеряемого сопротивления (до 108 и выше). Данная задача может быть решена с помощью предлагаемого способа цифрового измерения сопротивления тканей зубов биообъектов электрическому сигналу посредством устройства, реализующего данный способ, в виде портативного микропроцессорного прибора. Этот прибор, помимо непосредственного представления результатов измерения и диагностики на собственном жидкокристаллическом дисплее (ЖКД) в цифровой форме, обладает дополнительными функциями запоминания и передачи полученной информации в цифровой форме стандартными методами на ПЭВМ верхнего уровня. На ПЭВМ верхнего уровня может быть осуществлена полная автоматизация и визуализация процесса диагностики по результатам измерения, в том числе в форме томографических образов исследуемой области зуба, а также архивация полученной информации в виде базы данных по исследуемым пациентам (см. «Системный анализ твердых тканей зубов на основе оптического, рентгеновского и электрического сигналов» - Институт стоматологии, №1 (34), 2007 г., с.102-104).The claimed group of inventions is intended to solve the problem of reducing the error in measuring the resistance of hard tissues of teeth of bioobjects to an electrical signal and, thereby, helps to increase the reliability, reproducibility and reliability of diagnostics of the state of hard tissues of teeth of bioobjects, including when detecting early stages of caries. The claimed group of inventions will also be able to provide control of the state of tooth tissues by the magnitude of changes in their resistance during treatment and prevention through the use of a probing constant electrical signal with a low voltage level. In addition, the diagnostic capabilities and nomenclature of the studied biological objects are expanding due to an increase in the dynamic range of the measured resistance (up to 10 8 and higher). This problem can be solved using the proposed method for digitally measuring the resistance of tooth tissues of biological objects to an electrical signal using a device that implements this method in the form of a portable microprocessor device. This device, in addition to directly presenting the results of measurements and diagnostics on its own liquid crystal display (LCD) in digital form, has additional functions for storing and transmitting the received information in digital form using standard methods on a top-level PC. The upper level PC can be used to fully automate and visualize the diagnostic process according to the measurement results, including in the form of tomographic images of the studied tooth area, as well as archiving the information obtained in the form of a database of the studied patients (see. "System analysis of hard tooth tissues on the basis of optical, x-ray and electrical signals ”- Institute of Dentistry, No. 1 (34), 2007, p.102-104).
Техническим результатом способа измерения сопротивления твердых тканей зубов биообъектов является снижение погрешности измерения сопротивления твердых тканей зубов биообъектов при большом разбросе нормирующих показателей для любых типов зубов у различных пациентов, независимо от возраста, и расширении динамического диапазона измеряемых сопротивлений при сохранении в заданных пределах постоянного тока зондирующего электрического сигнала. Следствием чего является расширение функциональных возможностей диагностики состояния твердых тканей зубов биообъектов, в том числе для обнаружения на ранних стадиях воспалительных процессов мягких и твердых тканей биообъектов.The technical result of a method for measuring the resistance of hard tissues of teeth of bioobjects is to reduce the error in measuring the resistance of hard tissues of teeth of bioobjects with a wide range of standard parameters for any types of teeth in various patients, regardless of age, and expanding the dynamic range of measured resistances while maintaining the probing electric current in the specified limits signal. The consequence of this is the expansion of the functionality of diagnostics of the state of hard tissues of teeth of biological objects, including the detection of soft and hard tissues of biological objects at the early stages of inflammatory processes.
Техническим результатом устройства для измерения твердых тканей зубов биообъектов является повышение его точности при прямом измерении сопротивления в цифровой форме исследуемой локальной области зуба и других биообъектов электрическому току за счет устранения составляющих погрешностей, связанных с влиянием поляризации электродов на результаты измерений и нестабильности источника переменного электрического зондирующего сигнала. В результате, погрешность измерения по сравнению с известными устройствами может снижаться до долей процента для широкого динамического диапазона преобразования сопротивления в цифровой двоичный код, перекрывающего 108, при указанных выше параметрах зондирующего электрического постоянного сигнала, с запоминанием в цифровой форме, индикацией и, при необходимости, передачей результатов измерения на ПЭВМ верхнего уровня. При этом расширение динамического диапазона цифровых измерений при сохранении заданной приведенной погрешности измерения достигается за счет незначительного увеличения времени измерения, укладывающегося в допустимый для диагностики интервал времени.The technical result of the device for measuring the hard tissue of teeth of bioobjects is to increase its accuracy by directly measuring the digital resistance of the studied local area of the tooth and other bioobjects to electric current by eliminating the component errors associated with the influence of the polarization of the electrodes on the measurement results and the instability of the source of an alternating electrical probe signal . As a result, the measurement error in comparison with known devices can be reduced to fractions of a percent for a wide dynamic range of conversion of resistance into a digital binary code, covering 10 8 , with the above parameters of the probing electric constant signal, with digital storage, indication and, if necessary , transferring the measurement results to the upper level PC. At the same time, the expansion of the dynamic range of digital measurements while maintaining a given reduced measurement error is achieved due to a slight increase in the measurement time, which falls within the time interval acceptable for diagnostics.
Для достижения технического результата в способе измерения твердых тканей зубов биообъектов при воздействии на зубы электрическим постоянным сигналом посредствам пассивного и активного электродов полный динамический диапазон изменения сопротивления биообъектов на предварительном этапе исследования разбивают на конечное индексируемое (пронумерованное) число динамических поддиапазонов по допустимой величине приведенной погрешности аналого-цифрового преобразования измеряемого сопротивления. В пределах каждого динамического поддиапазона мажоритарно и последовательно в дискретные моменты времени через интервал, кратный 10 мс, по результатам воздействия постоянного электрического зондирующего сигнала определяют принадлежность сопротивления тканей соответствующему динамическому поддиапазону, начиная с минимального значения индекса, равного нулю. В пределах найденного и установленного поддиапазона аналого-цифровое преобразование измеряемого сопротивления тканей осуществляют комбинационно в последующие два этапа: мажоритарно и последовательно в дискретные моменты времени через интервал, кратный 10 мс, определяют для фиксированного числа разрядов значения каждого разряда последовательным уравновешиванием измеряемого сопротивления, изменяющимся образцовым сопротивлением, начиная со старшего разряда до некоторого фиксированного промежуточного разряда. Для оставшейся части младших разрядов на втором этапе в этом же поддиапазоне выполняют также мажоритарно через временной интервал равномерно распределенный в пределах от некоторого минимального значения до значения в 20 мс аналого-цифровое преобразование последовательным уравновешиванием измеряемого сопротивления тканей, изменяющимся образцовым сопротивлением с коррекцией на единицу младшего разряда в большую или меньшую сторону двоичного кода, полученного на предшествующих старших разрядах. Если же установлена принадлежность измеряемого сопротивления тканей динамическому поддиапазону с нулевым индексом, то в его пределах на первом этапе для фиксированного числа разрядов аналого-цифровое преобразование измеряемого сопротивления последовательным уравновешиванием, начиная со старшего разряда, осуществляют поразрядно, приписывая каждому разряду соответствующий ему вес уравновешивающего образцового сопротивления, а для оставшейся части младших разрядов в этом же поддиапазоне выполняют аналого-цифровое преобразование с коррекцией уравновешивающего сопротивления в большую или меньшую сторону на дискретную величину, соответствующую весу младшего разряда. При установлении принадлежности измеряемого сопротивления биообъектов динамическому поддиапазону с индексом, превышающем минимальное нулевое значение, на первом и втором этапах аналого-цифрового преобразования устанавливают для каждого разряда вес уравновешивающего образцового сопротивления по нелинейному закону, определяемому по величине результирующего сопротивления, равного параллельно подключенным измеряемому сопротивлению тканей в установленном динамическом поддиапазоне, отличному от веса поразрядного и следящего уравновешивания, установленного для динамического поддиапазона с нулевым индексом.In order to achieve a technical result in the method of measuring hard tissue of teeth of biological objects when exposed to an electric constant signal through a passive and active electrodes, the full dynamic range of changes in the resistance of biological objects at the preliminary stage of the study is divided into a final indexable (numbered) number of dynamic subranges according to the permissible value of the reduced error of the analog digital conversion of measured resistance. Within each dynamic sub-range, majority and successively at discrete time instants through an interval multiple of 10 ms, the results of exposure to a constant electric probe signal determine the resistance of tissues to the corresponding dynamic sub-range, starting with a minimum index value of zero. Within the found and established sub-range, the analog-to-digital conversion of the measured tissue resistance is carried out in combination in the following two stages: majority and sequentially at discrete time instants over an interval multiple of 10 ms, for each fixed number of digits, the values of each category are determined by sequential balancing of the measured resistance, varying model resistance starting from the senior bit to some fixed intermediate bit. For the remaining part of the least significant bits at the second stage, the same sub-range is also performed majorityally through a time interval uniformly distributed in the range from a certain minimum value to a value of 20 ms by analog-to-digital conversion by sequential balancing of the measured tissue resistance, varying the model resistance with correction for a minor digit unit up or down side of the binary code obtained on the previous high-order bits. If it is established that the measured tissue resistance belongs to a dynamic subrange with a zero index, then within the first stage, for a fixed number of bits, the analog-to-digital conversion of the measured resistance by sequential balancing, starting from the highest level, is performed bitwise, assigning to each category the corresponding weight of the balancing model resistance , and for the remaining part of the least significant bits in the same subband perform analog-to-digital conversion with correction of balancing resistance up or down by a discrete value corresponding to the weight of the least significant bit. When establishing the ownership of the measured resistance of biological objects to a dynamic sub-range with an index exceeding the minimum zero value, the weight of the balancing model resistance is established for each discharge in the first and second stages of analog-to-digital conversion according to a nonlinear law determined by the value of the resulting resistance equal to the measured tissue resistance connected in parallel to set dynamic sub-band other than the weight of the bit and tracking equation veshivaniya set for dynamic subband with index zero.
Если мажоритарно и последовательно в дискретные моменты времени через интервал, кратный 10 мс, устанавливают, что значение измеряемого сопротивления превышает выбранный динамический поддиапазон, то при переходе к динамическому поддиапазону с большим индексом синхронно с увеличением индекса изменяют в большую сторону, но в заданных пределах, величину напряжения электрического зондирующего сигнала.If it is established majority and sequentially at discrete time instants after an interval multiple of 10 ms that the value of the measured resistance exceeds the selected dynamic subband, then, when switching to a dynamic subband with a large index, the value increases synchronously with an increase in the index, but within the specified limits, voltage of the electrical sounding signal.
При определении индекса динамического поддиапазона и при аналого-цифровом преобразовании в пределах установленного динамического поддиапазона изменяют полярность зондирующего электрического сигнала, приложенного к пассивному и активному электроду, каждый раз при переходе в уравновешивающем двоичном коде от разряда к разряду.When determining the dynamic sub-range index and during analog-to-digital conversion within the established dynamic sub-range, the polarity of the probe electric signal applied to the passive and active electrode is changed, each time during the transition from the balancing binary code from discharge to discharge.
Для достижения технического результата в устройство для измерения сопротивления твердых тканей зубов биообъектов, содержащее электроды, источник опорного напряжения, нуль-орган, фильтр нижних частот, инструментальный усилитель и цифровое измерительное устройство с жидкокристаллическим дисплеем, введены регулятор опорного напряжения, ключи коммутации электродов, резистивный мост, в симметричные плечи которого включены шунтирующий делитель напряжения и образцовые резисторы с сопротивлениями одинакового номинала, делитель напряжения, выполненный в виде последовательно соединенных резисторов и ключей. Цифровое измерительное устройство с жидкокристаллическим дисплеем выполнено в виде микропроцессорной системы, включающей в себя микропроцессор с подключенными к нему клавиатурой, запоминающим устройством и схемой RS-232 интерфейса. При этом первая группа выходов микропроцессора соединена с управляющими входами регулятора опорного напряжения, вход которого связан с выходом источника опорного напряжения, а выход соединен с первой диагональю резистивного моста, вторая диагональ которого подключена к входам инструментального усилителя, выход которого через фильтр нижних частот подключен к первому входу нуль-органа, второй вход которого соединен с общей шиной, а его информационный выход подключен к информационному входу микропроцессора. Вторая группа выходов микропроцессора соединена с управляющими входами ключей коммутации электродов, входы которых соединены с электродами, а выходы подключены к входам шунтирующего делителя напряжения, управляющие входы которого соединены с третьей группой выходов микропроцессора. Четвертая группа выходов микропроцессора соединена с управляющими входами делителя напряжений, а его пятый выход - с управляющим входом нуль-органа.To achieve a technical result, a device for measuring the resistance of hard tissues of teeth of biological objects containing electrodes, a voltage reference source, a zero-organ, a low-pass filter, an instrument amplifier and a digital measuring device with a liquid crystal display, a voltage reference regulator, electrode switching keys, and a resistive bridge are introduced , in the symmetrical shoulders of which are included a shunt voltage divider and reference resistors with resistances of the same nominal value, the divider is tense I constructed as a series-connected resistors and switches. A digital measuring device with a liquid crystal display is made in the form of a microprocessor system, which includes a microprocessor with a keyboard connected to it, a storage device and an RS-232 interface circuit. In this case, the first group of microprocessor outputs is connected to the control inputs of the reference voltage regulator, the input of which is connected to the output of the reference voltage source, and the output is connected to the first diagonal of the resistive bridge, the second diagonal of which is connected to the inputs of the instrument amplifier, the output of which is connected to the first through a low-pass filter the input of the zero-organ, the second input of which is connected to a common bus, and its information output is connected to the information input of the microprocessor. The second group of microprocessor outputs is connected to the control inputs of the switching keys of the electrodes, the inputs of which are connected to the electrodes, and the outputs are connected to the inputs of the shunt voltage divider, the control inputs of which are connected to the third group of outputs of the microprocessor. The fourth group of microprocessor outputs is connected to the control inputs of the voltage divider, and its fifth output is connected to the control input of the zero-organ.
Способ осуществляют следующим образом. На основании предварительных исследований определяют максимальный динамический диапазон изменения сопротивлений твердых тканей зубов биообъектов (в дальнейшем - тканей зубов). Для тканей зубов максимальный диапазон изменения сопротивлений составляет около 100 мОм, а минимальный диапазон может составлять от одного до нескольких десятков Ом. Величина динамического диапазона зависит от диаметра активного электрода. Чем больше диаметр активного электрода, тем в меньшую сторону сдвигается динамический диапазон. Однако диаметр активного электрода устанавливают из необходимости исследования труднодоступных фиссурных полостей зуба, что и ограничивает по величине диаметр активного электрода десятыми долями 1 мм и приводит к сдвигу динамического диапазона измеряемых сопротивлений в большую сторону, то есть до указанной по максимуму величины. По минимуму диаметр активного электрода ограничивается диаметром освоенной промышленностью инъекционной иглы, составляющей 0,3-0,45 мм.The method is as follows. Based on preliminary studies, the maximum dynamic range of changes in the resistance of hard tissues of the teeth of biological objects (hereinafter referred to as tooth tissues) is determined. For tooth tissues, the maximum range of resistance changes is about 100 mOhm, and the minimum range can be from one to several tens of ohms. The magnitude of the dynamic range depends on the diameter of the active electrode. The larger the diameter of the active electrode, the smaller the dynamic range is shifted. However, the diameter of the active electrode is established from the need to study hard-to-reach fissure cavities of the tooth, which limits the diameter of the active electrode to tenths of 1 mm and leads to a shift in the dynamic range of the measured resistances upwards, that is, to the maximum value indicated. At a minimum, the diameter of the active electrode is limited by the diameter of the injection needle developed by the industry, comprising 0.3-0.45 mm.
Для принятой величины приведенной погрешности цифрового измерения сопротивления на основе расчета и предварительного эксперимента максимальный динамический диапазон разбивают на ряд динамических поддиапазонов. Предположим, что для заданной приведенной погрешности измерения установили приемлемый динамический поддиапазон в пределах от 0 до R0 кОм. Этому динамическому поддиапазону присваивают индекс 0. Для измерения сопротивления биообъекта, превышающего сопротивление резистора (в дальнейшем просто - сопротивление), равное R0, шунтируют измеряемое сопротивление тканей зубов таким образом, чтобы следующий динамический поддиапазон результирующего сопротивления уже с индексом 1 также укладывался в динамический поддиапазон с индексом 0, то есть имел бы нижнюю границу R0, а верхнюю границу - 2R0. Значения шунтирующих сопротивлений для формирования m-го динамического поддиапазона определяют по максимальному допустимому измеряемому сопротивлению тканей зубов Rxm в каждом поддиапазоне, выраженному через сопротивление R0 в соответствии с равенством Rxm=(1+m)R0, где m=entr[Rx/R0] (entr - оператор определения целой части от результата деления указанных в скобках сопротивлений); Rx(m-1) Rx Rxm; Rx - значение измеряемого сопротивления тканей зубов или просто измеряемого сопротивления. Параметр m показывает, во сколько целое число раз, измеряемое сопротивление Rx, превышает верхнюю границу динамического поддиапазона с индексом 0. Выразим для дальнейшего описания величину шунтирующего сопротивления через сопротивление R0 в виде произведения λ(m)·R0. Тогда результирующее сопротивление, принадлежащее соответствующему динамическому поддиапазону, образуют параллельным подключением измеряемого Rx и шунтирующего λ(m)·R0 сопротивления. Величину результирующего сопротивления по параллельно подключенным измеряемому Rx и шунтирующему λ(m)·R0 сопротивлениям находят в соответствии с формулойFor the accepted magnitude of the reduced error of digital resistance measurement based on calculation and preliminary experiment, the maximum dynamic range is divided into a number of dynamic subranges. Suppose that for a given reduced measurement error, an acceptable dynamic sub-range is set in the range from 0 to R 0 kOhm. This dynamic subrange is assigned index 0. To measure the resistance of a biological object exceeding the resistance of the resistor (hereinafter simply referred to as resistance) equal to R 0 , the measured resistance of the tooth tissues is shunted so that the next dynamic sub-range of the resulting resistance already with
где параметр α принимает значения в пределах, определяемых неравенством 0≤α≤1,так как измеряемое сопротивление Rx в динамическом диапазоне с индексом m=0,1,..., можно представить в виде Rx=R0(α+m).where parameter α takes values within the limits determined by the inequality 0≤α≤1, since the measured resistance R x in the dynamic range with index m = 0,1, ..., can be represented as R x = R 0 (α + m )
Следовательно, значения безразмерной функции λ(m), по которой определяют величину шунтирующего сопротивления, находят из приведенного равенства при условии, что максимальное значение результирующего сопротивления для любого значения индекса m устанавливают в соответствии с равенством Rмакс=R0 при α=1. В соответствии с указанным равенством устанавливают конкретные значения безразмерной функции λ(m)Therefore, the values of the dimensionless function λ (m), which determine the value of the shunt resistance, are found from the above equality, provided that the maximum value of the resulting resistance for any value of the index m is set in accordance with the equality R max = R 0 at α = 1. In accordance with this equality, concrete values of the dimensionless function λ (m) are established
где при введенных ограничениях на максимальный динамический диапазон измеряемого сопротивления ограничиваются, например, следующими численными значениями m=0,1,2,3,4.where, under the introduced restrictions on the maximum dynamic range of the measured resistance, they are limited, for example, by the following numerical values m = 0,1,2,3,4.
Из последнего уравнения следует, что при m=0 шунтирующее сопротивление равно бесконечности, иначе говоря, активный и пассивный электроды подключают непосредственно, например, в плечо четырехплечего резистивного моста без шунтирующего сопротивления. Для m=1,2,3,4 сопротивление шунта Rш принимает значения: 2R0; 1,5R0; 1,333R0; 1,25R0, где для безразмерной функции λ(m) при m=1,2,3,4 получают следующие конкретные значения функции λ(m): λ(1)=2; λ(2)=1,5; λ(3)=1,333; λ(4)=1,25.From the last equation it follows that at m = 0 the shunt resistance is infinity, in other words, the active and passive electrodes are connected directly, for example, to the arm of a four-arm resistive bridge without a shunt resistance. For m = 1,2,3,4 the resistance of the shunt R W takes the values: 2R 0 ; 1.5R 0 ; 1.333R 0 ; 1.25R 0 , where for the dimensionless function λ (m) with m = 1,2,3,4 the following specific values of the function λ (m) are obtained: λ (1) = 2; λ (2) = 1.5; λ (3) = 1.333; λ (4) = 1.25.
Принадлежность измеряемого сопротивления динамическому поддиапазону с соответствующим индексом m определяют последовательно во времени и мажоритарно в пределах выбранного числа тактов сравнения зашунтированного измеряемого сопротивления Rхш с максимальным значением образцового компенсирующего сопротивления R0 по большинству совпадений знака результатов сравнения. Если мажоритарно, то есть по большинству совпадения знаков результатов сравнения Rхш с образцовым R0 сопротивлением определяют знак ошибки разбалансировки как положительный, что соответствует условию Rхш>R0, то в этом случае переходят к следующему по порядку динамическому поддиапазону. Если же аналогичным образом определяют мажоритарно знак как отрицательный (например, нуль-орган для определения знака разности в этом случае выдает сигнал, соответствующий нулю), то в этом случае оставляют прежний динамический поддиапазон.The belonging of the measured resistance to the dynamic sub-range with the corresponding index m is determined sequentially in time and majority within the selected number of clock cycles of the shunted measured resistance R xsh with the maximum value of the model compensating resistance R 0 according to the majority of coincidence of the sign of the comparison results. If it is majority, that is, by the majority of coincidence of the signs of the results of comparison of R xsh with the reference R 0 resistance, the sign of the imbalance error is determined as positive, which corresponds to the condition R xsh > R 0 , then in this case we pass to the next dynamic order in the next order. If in the same way the majority sign is determined to be negative (for example, a null-organ for determining the sign of the difference in this case gives a signal corresponding to zero), then in this case the previous dynamic sub-range is left.
Необходимо отметить для оценки преимуществ предлагаемого способа следующее. Если выполнять поразрядное уравновешивание измеряемого сопротивления в выбранном динамическом поддиапазоне независимо от его индекса, начиная со старшего разряда, путем изменения уравновешивающего образцового сопротивления в каждом разряде в соответствии с законом поразрядного уравновешивания, то есть изменяя уравновешивающее сопротивление Rоур в i-ом разряде по закону 2i·R для i=1,2,..., то измеряемое сопротивление Rx для динамического поддиапазона с индексом m>0 получается в соответствии с равенствомIt should be noted to assess the advantages of the proposed method as follows. If we perform bitwise balancing of the measured resistance in the selected dynamic subband, regardless of its index, starting from the highest bit, by changing the balancing model resistance in each bit in accordance with the law of bitwise balancing, that is, changing the balancing resistance R ESD in the i-th bit according to
Это равенство определяет градуировочную характеристику, в соответствии с которой измеряемому сопротивлению Rx ставят в соответствие уравновешивающее образцовое сопротивление для любого значения индекса m. Данная нелинейная градуировочная характеристика преобразуется в линейную градуировочную характеристику только для индекса m=0. Действительно, при m=0 функция λ-1 (m)=0 иThis equality determines the calibration characteristic, according to which the measured resistance R x is associated with the balancing model resistance for any value of the index m. This nonlinear calibration characteristic is converted to a linear calibration characteristic only for the index m = 0. Indeed, when m = 0 the function λ -1 (m) = 0 and
Rx=R0уp=α·R0,R x = R 0уp = α · R 0 ,
где аi=1 или 0 и R=R0/(2N-1) R0·2-N (число двоичных разрядов в полученном в результате аналого-цифрового преобразования двоичном коде).Where and i = 1 or 0 and R = R 0 / (2 N -1) R 0 · 2 -N (the number of binary bits in the binary code obtained as a result of the analog-to-digital conversion).
При использовании, например, для сравнения измеряемого сопротивления Rx и R0уp четырехплечего резистивного моста для индекса m>0 возникает неустранимая погрешность смещения, величина которой определяется величиной напряжения разбалансировки четырехплечего резистивного моста из-за прохождения тока по шунтирующему сопротивлению. Эта погрешность смещения определяется при β=α из равенстваWhen using, for example, to compare the measured resistance R x and R 0у of a four- armed resistive bridge for index m> 0, an unrecoverable bias error arises, the value of which is determined by the magnitude of the unbalance voltage of the four-armed resistive bridge due to the passage of current through the shunt resistance. This bias error is determined for β = α from the equality
где β=R0уp/R0; R0уp - значение уравновешивающего образцового сопротивления; δ=R01/R0;where β = R 0yp / R 0 ; R 0yp is the value of the balancing model resistance; δ = R 01 / R 0 ;
α=Rx/R0; R01 - значения равных между собой образцовых сопротивлений, дополняющих уравновешивающие и измеряемые сопротивления до полного четырехплечего резистивного моста, которые выбирают из условия R01=3В/10-4А. Указанную погрешность смещения невозможно устранить мажоритарным способом уравновешивания с последующей коррекцией результата преобразования следящим преобразованием. Поскольку приведенная выше градуировочная характеристика нелинейно выражает измеряемое сопротивление Rx через его образцовый аналог R0уp для индексов m=1,2,..., то эта нелинейная зависимость приводит к возникновению не учтенной дополнительной методической составляющей погрешности измерения Rx.α = R x / R 0 ; R 01 - values of equal reference resistances, complementing the balancing and measured resistances to a full four-arm resistive bridge, which are selected from the condition R 01 = 3V / 10 -4 A. The specified bias error cannot be eliminated by the majority method of balancing with subsequent correction of the conversion result by a follow-up transformation . Since the above calibration characteristic nonlinearly expresses the measured resistance R x through its reference analog R 0уp for indices m = 1,2, ..., this nonlinear dependence leads to the appearance of an additional methodological component of the measurement error R x not taken into account.
Для устранения нелинейной составляющей погрешности, обусловленной дополнительным введением динамических поддиапазонов, путем шунтирования измеряемого сопротивления Rx в соответствии с предлагаемым способом выполняют следующие действия.To eliminate the nonlinear component of the error due to the additional introduction of dynamic subranges, by shunting the measured resistance R x in accordance with the proposed method, the following steps are performed.
Первоначально определяют мажоритарно принадлежность измеряемого сопротивления тканей зуба динамическому поддиапазону с соответствующим индексом m.Initially, the majority of the measured resistance of tooth tissues to the dynamic sub-range with the corresponding index m is determined.
В выбранном динамическом поддиапазоне последовательно во времени и мажоритарно по большинству совпадений результатов сравнения шунтированного измеряемого сопротивления Rхш с образцовым компенсирующим сопротивлением на каждом i-ом разряде уравновешивания шунтированного измеряемого сопротивления Rхш образцовым уравновешивающим (компенсирующим) сопротивлением (в дальнейшем просто образцовым сопротивлением) R0уpi определяют знак разности (ошибки) отклонения Rхш от образцового R0уpi сопротивления. По знаку разности между шунтированным измеряемым и образцовым сопротивлениями выполняют поразрядно и мажоритарно, начиная со старшего разряда и до заданного разряда двоичного кода Nc, компенсацию величины этой разности. Если мажоритарно, то есть по большинству совпадения знаков сравнения измеряемого сопротивления Rхш с образцовым R0уpi сопротивлением, на каждом такте уравновешивания определяют знак ошибки разбалансировки как положительный, то образцовое уравновешивающее сопротивление увеличивают по сравнению с установленным образцовым результирующим сопротивлением на предыдущих тактах мажоритарного уравновешивания. В этом случае двоичному коду в i-ом разряде приписывают единицу. Если же аналогичным образом определяют мажоритарно знак как отрицательный (например, нуль-орган для определения знака разности в этом случае выдает сигнал, соответствующий нулю), то установленное для i-го разряда значение образцового сопротивления отключают и на образцовом делителе оставляют результирующее образцовое сопротивление, установленное на предыдущих тактах мажоритарного уравновешивания, а в i-ом разряде двоичного кода устанавливают ноль.In the selected dynamic sub-range, successively in time and majority in majority of coincidences of the results of comparing the shunted measured resistance R xsh with the model compensating resistance at each i-th discharge of balancing the shunted measured resistance R xsh with the model balancing (compensating) resistance (hereinafter simply as model resistance) R 0уpi determine the sign of the difference (error) of the deviation R xsh from the reference R 0pi resistance. By the sign of the difference between the shunted measured and exemplary resistances, bitwise and majorityly, starting from the highest bit and to the specified bit of the binary code N c , compensation is made for the value of this difference. If it is majority, that is, for the majority of coincidence of the signs of comparison of the measured resistance R xh with the model R 0pi resistance, the sign of the imbalance error is determined as positive at each balancing cycle, then the model balancing resistance is increased compared to the established model resulting resistance on the previous measures of majority balancing. In this case, the binary code in the i-th category is attributed to one. If, in the same way, the majority sign is determined to be negative (for example, the null-organ for determining the difference sign in this case gives a signal corresponding to zero), then the value of the model resistance set for the i-th discharge is turned off and the resulting model resistance set on the model divider is set on the previous measures of majority balance, and in the i-th bit of the binary code set to zero.
Если индекс m>0, то в отличие от обычного линейного алгоритма поразрядного уравновешивания для m=0, поразрядную компенсацию разности между зашунтированным измеряемым Rхш и образцовым сопротивлением для i-го такта уравновешивания осуществляют нелинейно в соответствии с двоичным кодом βi, значение которого устанавливают априорно и эквивалентно сопротивлениюIf the index is m> 0, then, in contrast to the usual linear bitwise balancing algorithm for m = 0, bitwise compensation of the difference between the shunted measured R xsh and the model resistance for the ith balancing step is performed nonlinearly in accordance with the binary code β i , the value of which is set a priori and equivalent to resistance
В результате чего разность между результирующим уравновешивающим и измеряемым сопротивлением Rx определяется, например, величиной разбалансировки четырехплечего резистивного моста, возникающей в его диагонали в виде разностного напряженияAs a result, the difference between the resulting balancing and measured resistance R x is determined, for example, by the imbalance value of the four-armed resistive bridge arising in its diagonal in the form of a differential voltage
где ; δ=R01/R0; i=1,2,...Nc; α=Rx/R0; Nc - число старших разрядов в искомом двоичном коде, для которого осуществляется поразрядное уравновешивание; ai=1 или 0 в зависимости от мажоритарного результата сравнения зашунтированного измеряемого Rхш и образцового сопротивлений для i-го такта уравновешивания.Where ; δ = R 01 / R 0 ; i = 1,2, ... N c ; α = R x / R 0 ; N c is the number of high order bits in the desired binary code for which bitwise balancing is performed; a i = 1 or 0, depending on the majority result of comparing the shunted measured R xh and the reference resistances for the i-th balancing cycle.
Использование, согласно предлагаемому способу, поразрядной компенсации разности между измеряемым и образцовым сопротивлением для i-го такта уравновешивания осуществляют нелинейно в соответствии с двоичным кодом, который устанавливает величину R0уpi Для оставшейся части младших разрядов Nм=N-Nc формирование кода осуществляют в следящем режиме, то есть по знаку ошибки, определяемому также мажоритарно, отклонения измеряемого от образцового сопротивления, полученного на предыдущих тактах уравновешивания i=1,2,...,Nc. При этом полученный на предыдущих Nc временных мажоритарных тактах Δtм двоичный код корректируют на единицу младшего разряда в большую или меньшую сторону в соответствии с предложенным способом. Временной мажоритарный такт Δtм равен сумме kΔt обычных элементарных тактов Δt сравнения, причем мажоритарный параметр k соответствует количеству тактов сравнения при заданном мажоритарном выборе результатов сравнения. Число мажоритарных Δtм тактов коррекции оставшихся младших разрядов соответствует величине Δtм·2Nм. Мажоритарные параметры для старших и младших разрядов могут быть разными, причем значения их должны быть нечетным числом и допускается для младших разрядов k=1, а для старших разрядов параметр k рекомендуется выбирать равным 3 или даже 5.Using, according to the proposed method, bitwise compensation of the difference between the measured and sample resistance for the i-th balancing step is carried out nonlinearly in accordance with the binary code, which sets the value R 0pi For the remaining part of the least significant bits N m = NN c , the code is formed in the following mode, that is, according to the sign of error, also determined by majority, deviations of the measured from the model resistance obtained on the previous steps of balancing i = 1,2, ..., N c . Moreover, the binary code obtained at the previous N c temporary majority clock cycles Δt m is corrected for a lower-order unit in a greater or lesser direction in accordance with the proposed method. The majority time cycle Δt m is equal to the sum kΔt of ordinary elementary comparison cycles Δt, and the majority parameter k corresponds to the number of comparison cycles for a given majority choice of comparison results. The number of majority Δt m cycles of correction of the remaining lower digits corresponds to Δt m · 2 Nm . The majority parameters for the higher and lower digits can be different, and their values must be an odd number and allowed for the lower digits k = 1, and for higher digits the parameter k is recommended to be chosen equal to 3 or even 5.
Анализ ошибки отклонения измеряемого от образцового уравновешивающего сопротивления, в частности, полученной в диагонали четырехплечего резистивного моста, в виде разности напряжения или тока показывает, что с увеличением индекса выбранного поддиапазона величина разбалансировки моста уменьшается обратно пропорционально квадрату индекса выбранного поддиапазона, следствием которого является понижение чувствительности соответствующей аппаратуры, реализующей способ. Это связано с тем, что часть тока от источника опорного напряжения ответвляется от электродов в цепь шунтирующего сопротивления. Для компенсации понижения чувствительности соответствующей аппаратуры в способе при переходе к диапазону измерения сопротивления с большим индексом увеличивают выходное напряжение в зависимости от значения индекса от источника опорного напряжения на величину, не превышающую предельно допустимой нормы в 8 В.An analysis of the error of the deviation of the measured from the reference balancing resistance, in particular, obtained in the diagonal of the four-armed resistive bridge, in the form of a voltage or current difference, shows that with an increase in the index of the selected subband, the unbalance value of the bridge decreases inversely with the square of the index of the selected subband, which results in a decrease in the sensitivity of the corresponding equipment that implements the method. This is due to the fact that part of the current from the reference voltage source branches off from the electrodes into a shunt resistance circuit. To compensate for the decrease in sensitivity of the corresponding equipment in the method, when switching to a resistance measurement range with a large index, the output voltage is increased depending on the index value from the reference voltage source by an amount not exceeding the maximum permissible norm of 8 V.
При диагностике биообъектов посредством постоянного зондирующего электрического сигнала по величине измеряемого сопротивления существенное влияние на погрешность измерения сопротивления и, следовательно, на надежность диагностики оказывает эффект поляризации, устранение которого возможно в данном случае только периодическим изменением полярности зондирующего постоянного электрического сигнала. Поэтому в предлагаемом способе при преобразовании синхронно с тактом аналого-цифрового преобразования изменяют полярность постоянного зондирующего электрического сигнала коммутацией пассивного и активного электродов.When diagnosing biological objects by means of a constant probing electric signal by the value of the measured resistance, a significant effect on the error in measuring the resistance and, therefore, on the reliability of diagnostics has a polarization effect, the elimination of which is possible in this case only by periodic polarity reversal of the probing constant electric signal. Therefore, in the proposed method, when converting synchronously with the clock of analog-to-digital conversion, the polarity of the constant probing electrical signal is changed by switching the passive and active electrodes.
Мажоритарный выбор для параметра k, равного 3, повышает достоверность определяемого разряда двоичного кода примерно в 1,5 раз, а выбор временного такта, равного 10 мс, способствует подавлению сетевой помехи примерно во столько же раз и, как показывает эксперимент, даже в большее число раз. Это связано с тем, что период сетевой помехи равен 20 мс, и временному такту в 10 мс соответствуют их отсчеты, равные по величине и противоположные по знаку. Сетевую помеху можно существенно до 100-120 дБ подавить схемотехническими способами, например, с помощью использования инструментального усилителя и фильтров, тем не менее данный вид помехи, суммируясь с собственными шумами радиоэлектронных компонентов из-за малого уровня полезного сигнала оказывает недопустимое для рассматриваемого случая влияние на погрешность аналого-цифрового преобразования (цифрового измерения сопротивления). Особенно опасно влияние суммарной сетевой и случайной помехи на определение старших разрядов двоичного кода, приводящее к существенной и неустранимой обычными методами поразрядного уравновешивания погрешности (в том числе погрешности смещения) цифрового измерения сопротивления и, следовательно, значительному снижению надежности и воспроизводимости результатов медицинской диагностики состояния тканей зубов. Поэтому, предложенная в способе нелинейная коррекция результатов аналого-цифрового преобразования для выбранного числа младших разрядов в следящем режиме позволяет дополнительно скорректировать как систематическую составляющую погрешности преобразования, так и подавить помеху, образующую случайную составляющую погрешности. Причем, эффективность подавления случайной составляющей погрешности достаточно высока.The majority choice for parameter k, which is equal to 3, increases the reliability of the determined bit of the binary code by about 1.5 times, and the choice of a time cycle of 10 ms helps to suppress network interference by about the same amount and, as the experiment shows, even by a larger number time. This is due to the fact that the period of network interference is 20 ms, and a time cycle of 10 ms corresponds to their samples, equal in magnitude and opposite in sign. Network interference can be substantially suppressed up to 100-120 dB by circuit methods, for example, by using an instrument amplifier and filters, nevertheless, this type of interference, combined with the intrinsic noise of electronic components due to the low level of the useful signal, has an unacceptable effect on the case in question error of analog-to-digital conversion (digital resistance measurement). Especially dangerous is the effect of the total network and random interference on the determination of the higher bits of the binary code, which leads to a significant and unrecoverable by the usual methods of bitwise balancing of the error (including bias error) of the digital resistance measurement and, therefore, a significant decrease in the reliability and reproducibility of the results of medical diagnostics of the state of tooth tissues . Therefore, the nonlinear correction of the results of analog-to-digital conversion proposed for the method for the selected number of low-order bits in the follow-up mode allows us to additionally correct both the systematic component of the conversion error and suppress the noise that forms the random component of the error. Moreover, the efficiency of suppressing the random component of the error is quite high.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства для измерения сопротивления твердых тканей зубов, реализующая предложенный способ. На фиг.2 представлены результаты моделирования и пример программы части алгоритма с нелинейным изменением веса уравновешивающего сопротивления в динамическом диапазоне с индексом m=2, а также график преобразуемых в цифровой двоичный код значений случайно изменяющегося при моделировании в этом динамическом поддиапазоне зашунтированного входного сопротивления.Figure 1 presents the structural diagram of a device for measuring the resistance of hard tissues of teeth that implements the proposed method. Figure 2 presents the simulation results and an example of a program part of the algorithm with a nonlinear change in the weight of the balancing resistance in the dynamic range with the index m = 2, as well as a graph of the values converted randomly to digital binary code when shunted input resistance is simulated in this dynamic subband.
Схема устройства для диагностики состояния тканей зубов состоит из элементов и блоков, имеющих следующие обозначения: 1 - источник опорного напряжения; 2 - регулятор опорного напряжения; 3 - четырехплечий резистивный мост; 4 - образцовые, равные между собой резисторы R01, включенные в симметричные плечи четырехплечего резистивного моста; 5 и 6 - активный и пассивный электроды соответственно; 7 - ключи коммутации электродов; 8 - шунтирующий делитель напряжения, состоящий из 81,...,8m последовательно соединенных ключей коммутации делителя напряжения и шунтирующих резисторов: 2R0; 1,5R0;... (1+1/m)R0; 9 - кодоуправляемый делитель напряжения (в дальнейшем просто: делитель напряжения), состоящий из 90,...,9N-1 последовательно соединенных ключей и резисторов с номиналами, изменяющимися кратно двум R, то есть от 2°R до 2N-1 R, сумма которых равна R0; 10 - инструментальный усилитель; 11 - фильтр нижних частот; 12 - нуль-орган; 13 - микропроцессорная система, состоящая из 14 - микропроцессора; 15 - клавиатуры управления; 16 - жидкокристаллического дисплея (ЖКД); 17 - запоминающего устройства с последовательной записью и считыванием; 18 - схема интерфейса RS-232.A diagram of a device for diagnosing the state of tooth tissues consists of elements and blocks having the following notation: 1 - source of reference voltage; 2 - voltage reference regulator; 3 - four-arm resistive bridge; 4 - exemplary, equal to each other, resistors R 01 included in the symmetrical shoulders of the four-arm resistive bridge; 5 and 6 - active and passive electrodes, respectively; 7 - keys for switching electrodes; 8 - shunt voltage divider, consisting of 8 1 , ..., 8 m series-connected switching keys of the voltage divider and shunt resistors: 2R 0 ; 1,5R 0 ; ... (1 + 1 / m) R 0 ; 9 - code-controlled voltage divider (hereinafter simply: voltage divider), consisting of 9 0 , ..., 9 N-1 series-connected keys and resistors with values that vary by a factor of two R, that is, from 2 ° R to 2 N- 1 R, the sum of which is equal to R 0 ; 10 - instrumental amplifier; 11 - low-pass filter; 12 - zero organ; 13 - microprocessor system, consisting of 14 - microprocessor; 15 - control keyboard; 16 - liquid crystal display (LCD); 17 - memory device with sequential recording and reading; 18 is a diagram of an RS-232 interface.
Устройство для измерения сопротивления твердых тканей зубов биообъектов, реализующее предложенный способ содержит: источник 1 опорного напряжения; регулятор 2 опорного напряжения; четырехплечий 3 резистивный мост; образцовые 4, равные между собой резисторы R01, включенные в симметричные плечи четырехплечего 3 резистивного моста; активный 5 и пассивный 6 электроды, подключенные к первому и второму информационным входам ключей 7 коммутации электродов соответственно; шунтирующий 8 делитель напряжения (в дальнейшем просто: шунтирующий делитель напряжения), состоящий из 81,...,8m последовательно соединенных ключей коммутации делителя напряжения и шунтирующих резисторов: 2R0; 1,5R0;... (1+1/m)R0; делитель 9 напряжения, состоящий из 90,...,9N-1 последовательно соединенных ключей и уравновешивающих образцовых резисторов с номиналами, изменяющимися кратно двум R, то есть от 2° R до 2N-1 R, сумма которых равна R0; инструментальный усилитель 10; фильтр нижних частот 11; нуль-орган 12; микропроцессорную 13 систему, состоящую из микропроцессора 14, клавиатуры 15 управления, ЖКД 16, запоминающего 17 устройства с последовательной записью и считыванием; схемы 18 интерфейса RS-232. При этом источник 1 опорного напряжения через регулятор 2 опорного напряжения соединен с первой диагональю четырехплечего 3 резистивного моста, включающего в первые два симметричных плеча образцовые 4, равные между собой резисторы R01, а во вторые два симметричных плеча - активный 5 и пассивный 6 электроды, подключенные к плечу четырехплечего 3 резистивного моста через ключи 7 коммутации электродов, выходы которых, в этом же плече, параллельно подключены к шунтирующему 8 делителю напряжения, состоящему из 81,...,8m последовательно соединенных ключей коммутации делителя напряжения и шунтирующих резисторов: 2R0; 1,5R0;... (1+1/m)R0. Вторая диагональ четырехплечего 3 резистивного моста подключена к первому и второму входу инструментального 10 усилителя соответственно, выход которого через фильтр 11 нижних частот подключен к первому входу нуль-органа 12, второй вход которого соединен с общей шиной. Информационный выход нуль-органа 12 соединен с одноименным входом микропроцессорной 13 системы. Управляющие входы регулятора 2 опорного напряжения, ключей 7 коммутации электродов, шунтирующего 8 делителя напряжения и делителя 9 напряжения подключены соответственно к первой, второй, третьей и четвертой группам цифровых выходов микропроцессорной 13 системы, а управляющий вход нуль-органа 12 соединен с пятым управляющим цифровым выходом микропроцессорной 13 системы. Соответствующие входы и выходы клавиатуры 15 управления, ЖКД 16, запоминающего 17 устройства с последовательной записью и считыванием, схемы 18 RS интерфейса стандартно подключены к входам и выходам микропроцессора 14. Другие цифровые выходы микропроцессора 14 и информационный вход подключены к первой, второй, третьей и четвертой группам цифровых выходов микропроцессорной 13 системы, а также к пятому управляющему цифровому выходу этой же системы и к ее информационному входу соответственно.A device for measuring the resistance of hard tissues of teeth of biological objects that implements the proposed method contains: a source of 1 voltage reference;
Устройство для измерения сопротивления твердых тканей зубов биообъектов работает следующим образом.A device for measuring the resistance of hard tissues of teeth of bioobjects works as follows.
Предварительно, в соответствии с предложенным способом, в энергонезависимое запоминающее устройство, встроенное в микропроцессор 14 (например, выполненный на большой интегральной схеме типа АТ89 СИ 51Е D2-3CU31IM), записывается управляющая программа. Управляющая программа реализует приведенный ниже по тексту алгоритм, в соответствии с которым в устройстве для диагностики состояния тканей зубов биообъектов выполняются в указанной ниже последовательности следующие действия и установки.Previously, in accordance with the proposed method, a control program is recorded in a non-volatile memory device integrated in the microprocessor 14 (for example, executed on a large integrated circuit such as AT89 SI 51E D2-3CU31IM). The control program implements the algorithm below, according to which the following actions and settings are performed in the device for diagnosing the state of tooth tissue of biological objects in the following sequence.
При включении устройства, то есть при подключении питания, на цифровых выходах первой, второй, третьей и четвертой групп, а также на пятом управляющих цифровых выходах микропроцессорной 13 системы в соответствии с управляющей программой устанавливаются следующие исходные управляющие двоичные коды:When the device is turned on, that is, when the power is connected, at the digital outputs of the first, second, third and fourth groups, as well as at the fifth control digital outputs of the
- на первой группе цифровых управляющих выходов микропроцессорной 13 системы устанавливается двоичный код, в соответствии с которым на выходе регулятора 2 опорного напряжения устанавливается минимально допустимое напряжение, например, 3 В;- on the first group of digital control outputs of the
- на второй группе цифровых управляющих выходов микропроцессорной 13 системы устанавливается двоичный код, в соответствии с которым ключи 7 коммутации электродов устанавливаются, например, в состояние, при котором к выходу регулятора 2 опорного напряжения подключается активный 5 электрод, а к входу образцового резистора 4 R01 - пассивный 6 электрод;- a binary code is set on the second group of digital control outputs of the
- на третьей группе цифровых управляющих выходов микропроцессорной 13 системы устанавливается двоичный код, в соответствии с которым в шунтирующем 8 делителе напряжения, состоящем из 81,...,8m последовательно соединенных ключей коммутации делителя напряжения и шунтирующих резисторов, все последовательно соединенные ключи коммутации делителя напряжения находятся в разомкнутом состоянии, отключающие последовательно соединенные резисторы с номиналами 2R0, 1,5R0,..., (1+1/m)R0 от активного 5 и пассивного 6 электродов;- a binary code is set on the third group of digital control outputs of the
- на четвертой группе цифровых управляющих выходов микропроцессорной 13 системы устанавливается двоичный код, в соответствии с которым в делителе 9 напряжения, все 90,...,9N-1 последовательно соединенные ключи подключают уравновешивающие образцовые сопротивления с номиналами от 20R до 2N-1 R к выходу регулятора 2 опорного напряжения и к диагонали моста с одной стороны, и к образцовому 4 резистору R01, с другой стороны;- a binary code is set on the fourth group of digital control outputs of the
- с пятого управляющего цифрового выхода микропроцессорной 13 системы на нуль-орган 12 поступает постоянный запирающий сигнал.- from the fifth control digital output of the
Перечисленные исходные состояния управляющих двоичных кодов в соответствии с предлагаемым способом устанавливают режим работы устройства, в соответствии с которым определяется принадлежность измеряемого сопротивления Rx к искомому динамическому поддиапазону. Исходные состояния записаны в виде соответствующих значений параметров программы в запоминающем устройстве микропроцессора 14, входящего в состав микропроцессорной 13 системы.The listed initial state of the control binary codes in accordance with the proposed method sets the operation mode of the device, in accordance with which it is determined whether the measured resistance R x belongs to the desired dynamic sub-range. The initial state is recorded in the form of the corresponding values of the program parameters in the storage device of the
Перед проведением измерения сопротивления тканей зубов пассивный электрод 6, в качестве которого рекомендуется использовать смотровое зеркальце, помещают в полость рта. Активный электрод 5, выполненный, например, в виде разового шприца, заполненного кальцием хлорида с затупленной иглой помещают в исследуемую локальную, например, в фиссурную область зуба. В результате контакта между электродом и исследуемой областью зуба замыкается рабочее плечо четырехплечего 3 резистивного моста. Сигнал, определяющий разбалансировку четырехплечего 3 резистивного моста из-за не совпадений измеряемого Rx и первоначально установленного в делителе 9 напряжения результирующего уравновешивающего образцового сопротивления, со второй диагонали четырехплечего 3 резистивного моста поступает на первый и второй входы инструментального усилителя 10. Выходной разностный сигнал через фильтр нижних частот 11 поступает на информационный вход нуль-органа 12. Для проведения измерения активного сопротивления исследуемой локальной области зуба необходимо подать стартовый сигнал или сигнал «пуск» на микропроцессор 14 нажатием кнопки «пуск». Кнопка «пуск» не показана на фиг.1, так как она является составной частью клавиатуры 15 управления, ее техническая реализация не влияет на работу устройства в целом. Однако для удобства эксплуатации устройства кнопка «пуск» может быть продублирована на выносном пульте в виде специальной «клипсы», подсоединенной к разовому шприцу, образующему электрод 5.Before measuring the resistance of tooth tissues, a
По сигналу «пуск» устройство в соответствии с управляющей программой, записанной априорно в запоминающее устройство микропроцессора 14, переходит в режим измерения. В режиме измерения через пятый управляющий цифровой выход микропроцессорной 13 системы с соответствующего выхода микропроцессора 14 поступает импульсный стробирующий сигнал с периодом, равным 10 мс, и скважностью не менее 1000 на управляющий вход нуль-органа 12. По этому стробирующему импульсному сигналу с информационного выхода нуль-органа 12 считывается через каждые 10 мс информационный сигнал, соответствующий «единице» или «нулю». Информационный сигнал «единица» соответствует событию, при котором измеряемое сопротивление Rx превышает первоначально установленное максимальное образцовое уравновешивающее сопротивление на 9 делителе напряжения в симметричном плече четырехплечего 3 резистивного моста, а «ноль» - противоположному событию. Для повышения достоверности принятие решения по выходному информационному сигналу нуль-органа 12 о состоянии управляющего кода делителя 9 напряжения осуществляется мажоритарно. Это значит, что выходной информационный сигнал нуль-органа 12 считается достоверным по результатам анализа многотактного сравнения сигналов, снимаемых с диагонали четырехплечего 3 резистивного моста, поступающих на первый и второй вход нуль-органа 12 в зависимости от априорно установленного мажоритарного базиса. Мажоритарный базис определяет выбор состояния информационного сигнала с выхода нуль-органа 12 из трех по два или из пяти по три, что соответствует принятию решения в течение мажоритарного такта о достоверности выходного информационного сигнала нуль-органа 12 по двум или по трем совпадающим событиям из возможных трех или пяти альтернативных, появляющихся на выходе нуль-органа 12 в виде сигналов, соответствующих единице или нулю. Мажоритарный временной такт (в дальнейшем просто мажоритарный такт) равен суммарной длительности периодов следования стробирующих импульсов, число которых соответствует мажоритарному базису. При этом после каждого мажоритарного такта по цифровому сигналу управления, поступающему с первой группы цифровых выходов микропроцессорной 13 системы на управляющие входы ключей 7 коммутации электродов, меняется направление тока зондирующего электрического сигнала за счет последовательного переключения контактов ключей 7 коммутации электродов. Причем время переключения контактов ключей 7 коммутации электродов, так же как время установления напряжения на выходе регулятора 2 опорного напряжения, устанавливается значительно меньше 10 мс, поэтому переходные процессы, связанные с переключением контактов ключей 7 коммутации электродов и с изменением напряжения на выходе регулятора 2 опорного напряжения, не оказывают влияния на работу устройства в целом.According to the “start” signal, the device, in accordance with the control program recorded a priori in the memory of the
После первого мажоритарного такта возможны два альтернативных события. Предположим, что первое событие соответствует тому, что Rx превышает начальное максимальное значение образцового уравновешивающего сопротивления, установленного в симметричном плече четырехплечего 3 резистивного моста на 9 делителе напряжения. В этом случае при переходе к следующему мажоритарному такту установленные первоначально на 9 делителе напряжения образцовые уравновешивающие сопротивления остаются неизменными. По коду управления, поступающему с первой и третьей групп цифровых выходов микропроцессорной 13 системы, увеличивается опорное напряжение на выходе регулятора 2 опорного напряжения, превышающее 3 В, например, на k В, то есть установится напряжение, равное (3+k) В, и подключается параллельно активному 5 и пассивному 6 электродам шунтирующее сопротивление 2R0. Подключение шунтирующего сопротивления 2R0 определяет динамический поддиапазон с индексом m=1. При втором мажоритарном такте после подключения шунтирующего сопротивления 2R0 вновь мажоритарно анализируется предварительно усиленный на инструментальном 10 усилителе и пропущенный через фильтр 11 нижних частот информационный выходной сигнал нуль-органа 12. Если принимается решение о том, что измеряемое сопротивление Rx превышает динамический поддиапазон со следующим по порядку значением индекса, то выше описанный процесс определения принадлежности измеряемого сопротивления Rx к динамическому поддиапазону с последующим значением индекса продолжается вплоть до последнего максимального значения индекса. Если же устанавливается, что измеряемое сопротивление Rx превышает динамический поддиапазон и с максимальным индексом, то процесс измерения прекращается и на ЖКД 16 появляется соответствующее сообщение.After the first majority measure, two alternative events are possible. Suppose that the first event corresponds to the fact that R x exceeds the initial maximum value of the model balancing resistance installed in the symmetrical arm of the four-
Все промежуточные значения двоичных кодов формируются и запоминаются в запоминающем устройстве микропроцессора 14 в соответствии с управляющей программой, реализующей вышеописанный первый этап комбинированного алгоритма аналого-цифрового преобразования.All intermediate values of binary codes are generated and stored in the memory of the
Если же для динамического поддиапазона с нулевым индексом появляется информационный выходной сигнал нуль-органа 12, соответствующий такому альтернативному событию, когда Rx мажоритарно не превышает максимальное Ro образцовое уравновешивающее сопротивление, установленное в симметричном плече четырехплечего 3 резистивного моста на делителе 9 напряжения, то режим работы устройства изменяется следующим образом. На делителе 9 напряжения в соответствии с управляющим кодом, поступающим с четвертой группы цифровых выходов микропроцессорной 13 системы, все первоначально установленные образцовые уравновешивающие сопротивления от 20 R до 2N-2 R отключается, то есть шунтируется соответствующими короткозамкнутыми контактами ключей от 90 до 9N-2, кроме сопротивления старшего разряда 2N-1 R.If, for a dynamic subrange with a zero index, an information output signal of a zero-
Как и прежде, для повышения достоверности принятие решения по выходному информационному сигналу нуль-органа 12 о дальнейшем изменении кода управления делителем 9 напряжения осуществляется мажоритарно и после первого мажоритарного такта возможны следующие два альтернативных события. Первое событие соответствует тому, что Rx превышает начальное образцовое уравновешивающее сопротивление 2N-1 R, установленное в симметричном плече четырехплечего 3 резистивного моста на делителе 9 напряжения. В этом случае при переходе к следующему мажоритарному такту это сопротивление остается неизменным до конца процесса преобразования. Альтернативное событие соответствует тому, что Rx не превышает начальное значение образцового уравновешивающего сопротивления 2N-1 R, установленного в симметричном плече четырехплечего 2 резистивного моста на делителе 9 напряжения. При осуществлении альтернативного событи, сопротивление 2N-1 R отключается, то есть шунтируется соответствующим короткозамкнутым ключом 9 делителя напряжения. Далее, независимо от результатов принятия решения на первом мажоритарном такте при переходе ко второму мажоритарному такту в соответствии с управляющим кодом, устанавливаемом на 4-й группе цифровых выходов микропроцессорной 13 системы, подключается образцовое уравновешивающее сопротивление 2N-2 R за счет переключения соответствующих контактов ключа 9N-2. При втором мажоритарном такте решение о сохранении или отключении резистора 2N-2 R осуществляется аналогично вышеописанному способу. После каждого мажоритарного такта на второй группе цифровых управляющих выходов микропроцессорной 13 системы двоичный код синхронно с началом следующего мажоритарного такта инвертируется, и, в соответствии с этим, контакты ключей 7 коммутации электродов устанавливаются в противоположное состояние. Периодическая инверсия управляющего кода ключей 7 коммутации электродов приводит к тому, что к выходу регулятора 2 опорного напряжения подключается попеременно то активный 5, то пассивный 6 электроды, а к входу образцового резистора 4 R01 - наоборот, то пассивный 6, то активный 5 электроды. Благодаря этому изменяется направление тока, протекающего через активный 5 и пассивный 6 электроды, и практически устраняется влияние эффекта поляризации на результаты цифрового измерения искомого сопротивления Rx.As before, in order to increase the reliability, the decision on the output information signal of the null-
После выполнения второго мажоритарного такта возможны четыре комбинации состояния ключей и, следовательно, значений сопротивлений на делителе 9 напряжения:After completing the second majority cycle, four combinations of the state of the keys and, therefore, the resistance values on the
- все ключи остались в замкнутом состоянии, что соответствует нулевому начальному коду;- all keys remained in a closed state, which corresponds to a zero initial code;
- ключ старшего разряда разомкнут, а остальные все ключи остались в замкнутом состоянии, что соответствует коду, у которого, кроме старшего разряда, равного единице, все остальные разряды остаются в нуле;- the high-order key is open, and the rest all the keys remain closed, which corresponds to a code that, in addition to the high-order digit, which is equal to one, all other digits remain at zero;
- ключ, следующий за старшим разрядом, разомкнут, а остальные все ключи остались в замкнутом состоянии, что соответствует коду, у которого, кроме следующего за старшим разрядом, равным единице, все остальные разряды остаются в нуле;- the key following the high order is open, and the rest all the keys remain closed, which corresponds to a code that, except for the next high order, equal to one, all other digits remain at zero;
- ключ старшего и следующего за старшим разрядом разомкнут, а остальные все ключи остались в замкнутом состоянии, что соответствует коду, у которого, кроме двух старших разрядов, равных единице, все остальные разряды остаются в нуле.- the key of the senior and the following after the senior digit is open, and the rest all the keys remain closed, which corresponds to a code that, in addition to two high order bits equal to one, all other bits remain at zero.
В результате выполнения перечисленных выше действий при определении остальных разрядов кода ai от i=1 до Nc включительно формируется управляющий двоичный код на выходе четвертой группы цифровых выходов микропроцессорной 13 системы. Этому коду соответствует такая комбинация состояний ключей 90,...,9Nc-1 в 9 делителе напряжения, которая определяет результат преобразования измеряемого сопротивления Rx в двоичный код видаAs a result of the above steps, when determining the remaining bits of the code a i from i = 1 to N c inclusive, a control binary code is generated at the output of the fourth group of digital outputs of the
где аi=1, если ключ 9i в делителе 9 напряжения находится в разомкнутом состоянии и аi=0 для противоположного случая, при j=1,2,...,Nc, в динамическом поддиапазоне с индексом m=0. В динамическом диапазоне с индексом 0 сопротивление Rx измеряется в пределах от нуля до максимального значения, равного R(2Nc-1). Все промежуточные значения двоичных кодов и полученный на Nc такте преобразования код βNc формируются и запоминаются в запоминающем устройстве микропроцессора 14 по управляющей программе, реализующей вышеописанный этап комбинированного алгоритма аналого-цифрового преобразования.where a i = 1, if the key 9 i in the
В соответствии с предложенным способом для снижения погрешности на втором этапе комбинированного алгоритма аналого-цифрового преобразования, начиная с Nc+1 разряда меняется режим уравновешивания измеряемого сопротивления. Признаком для изменения режима уравновешивания является только номер разряда Nc. При этом переход на новый режим (этап) преобразования осуществляется по условному переходу, когда число мажоритарных тактов на программном счетчике микропроцессора 14 достигнет значения Nc. В соответствии с новым режимом уравновешивания по сигналу программного счетчика микропроцессора 14 выполняются следующие действия:In accordance with the proposed method, in order to reduce the error at the second stage of the combined analog-to-digital conversion algorithm, starting from the N c +1 discharge, the mode of balancing the measured resistance changes. A sign for changing the balancing mode is only the discharge number N c . In this case, the transition to a new conversion mode (stage) is carried out by a conditional transition, when the number of majority cycles on the
1) все ключи в делителе 9 первоначально остаются в состоянии, которое было достигнуто до выполнения Nc мажоритарного такта уравновешивания включительно;1) all the keys in the
2) на Nc+1-ом мажоритарном такте уравновешивания к полученному на предыдущих Nc мажоритарных тактах двоичному коду βNc, который хранится в памяти микропроцессора 14, по выходному информационному сигналу нуль-органа 12, определяемому мажоритарно, добавляется или вычитается единица;2) on N c + 1-st majority stroke of balancing to the binary code β Nc obtained on previous N c majority strokes , which is stored in the memory of
3) в соответствии с полученным после каждого мажоритарного такта результирующим двоичным кодом, поступающим с 4-ой группы управляющих цифровых выходов микропроцессорной системы 13, изменяется состояние ключей 90,...,9N-1 в делителе 9 напряжения;3) in accordance with the resulting binary code received after each majority clock step coming from the 4th group of control digital outputs of the
4) на следующем Nc+2-ом мажоритарном такте уравновешивания к полученному на предыдущем Nc+1 мажоритарном такте двоичному коду по выходному информационному сигналу нуль-органа 12 снова добавляется или вычитается единица и выполняются условия пункта (3).4) at the next N c + 2nd majoritarian beat of balancing to the binary code obtained at the previous N c + 1 majoritarian beat at the output information signal of the zero-
Выполняя перечисленные выше действия при определении остальных разрядов кода 2N-Nc раз, получается в результате такая комбинация состояний ключей 90,...,9N-1 в делителе 9 напряжения, которая соответствует результату преобразования измеряемого сопротивления Rx в двоичный код в динамическом поддиапазоне от нуля до максимального значения, равного R(2N-1)=R0. Все промежуточные значения двоичных кодов, так же как и при преобразовании в первые Nc мажоритарных тактов, формируются и запоминаются в запоминающем устройстве микропроцессора 14 в соответствии с программой, реализующей второй этап вышеописанного комбинированного алгоритма аналого-цифрового преобразования.Performing the above steps when determining the remaining bits of the
Предположим, что измеряемое сопротивление Rx окажется в поддиапазоне с индексом m>0, в соответствии с которым выполняются следующие действия:Suppose that the measured resistance R x is in the subrange with index m> 0, in accordance with which the following actions are performed:
- на первой группе цифровых управляющих выходов устанавливается двоичный код, в соответствии с которым на выходе регулятора 2 опорного напряжения устанавливается напряжение, превышающее 3 В, например, на k В, то есть установится напряжение, равное (3+k) В, где, например, k=1,2,...,m;- a binary code is set on the first group of digital control outputs, according to which a voltage exceeding 3 V is set at the output of the
- на третьей группе цифровых управляющих выходов устанавливается двоичный код, по которому в шунтирующем делителе 8 напряжения, состоящем из 81,...,8m последовательно соединенных ключей коммутации делителя напряжения и шунтирующих резисторов, все последовательно соединенные ключи коммутации делителя напряжения установятся в разомкнутом состоянии, кроме ключа 8k, в результате чего подключается последовательно соединенный с ключом резистор с номиналом λ(m)R0=(1+m) R0/m, (m=1, 2,...) в плечо четырехплечего 3 резистивного моста параллельно активному 5 и пассивному 6 электродам, а остальные последовательно соединенные с соответствующими ключами резисторы остаются отключенными;- a binary code is set on the third group of digital control outputs, according to which in the
- устанавливается нулевой начальный код управления, поступающий на делитель 9 напряжения, с выхода четвертой группы цифровых выходов микропроцессорной 13 системы;- set to zero the initial control code supplied to the
- по результату сравнения сопротивления Rхш с нулевым значением устанавливается код управления, поступающий на делитель 9 напряжения с выхода четвертой группы цифровых выходов микропроцессорной 13 системы, соответствующий величине сопротивления, определяемого по формуле- based on the result of comparing the resistance R xsh with a zero value, a control code is set that is supplied to the
для определения R0уpi(m) из необходимости измерения сопротивления Rхш в динамическом поддиапазоне с индексом m>0.to determine R 0ypi (m) from the need to measure the resistance R xh in the dynamic subband with index m> 0.
Далее в устройстве повторяются действия в соответствии с приведенным описанием работы устройства в динамическом поддиапазоне с индексом 0, кроме определенных изменений, связанных с видом управляющего кода, который поступает на делитель 9 напряжения с выхода четвертой группы цифровых выходов микропроцессорной 13 системы. Изменение нелинейной функции, описывающей изменение управляющего кода поступающего на входы делителя 9 напряжения и, следовательно, изменение уравновешивающего образцового сопротивления, приводит к качественному изменению, согласно предложенному способу, принципа уравновешивания измеряемого сопротивления Rx по сравнению с известными способами и устройствами аналого-цифрового преобразования.Next, the device repeats the actions in accordance with the description of the operation of the device in the dynamic subband with index 0, except for certain changes associated with the type of control code that is supplied to the
Для того чтобы алгоритмически описать в целом работу устройства, реализующего в соответствии с предложенным способом комбинированный алгоритм аналого-цифрового преобразования измеряемого сопротивления Rx (цифровое измерение Rx), опишем его работу в виде нижеследующей связанной системы алгоритмов. В соответствии с представленной системой алгоритмов реализуется управляющая программа, записанная априорно в энергонезависимое запоминающее устройство микропроцессора 14, входящего в состав микропроцессорной 13 системы. Микропроцессорная 13 система выполняет в устройстве функцию многофункционального управляющего блока, включая формирование и реализацию: сигналов управления, поступающих с клавиатуры 15 управления; функции записи и считывания как служебной информации, так и результатов измерения с запоминающего 17 устройства с последовательной записью и считыванием; дополнительной функции индикации результатов измерения на ЖКД 16; передачи данных посредством схемы 18 интерфейса RS-232 на ПЭВМ верхнего уровня.In order to algorithmically describe the overall operation of a device that implements, in accordance with the proposed method, a combined algorithm for analog-to-digital conversion of the measured resistance R x (digital measurement of R x ), we describe its operation in the form of the following related system of algorithms. In accordance with the presented system of algorithms, a control program is implemented that is written a priori in the non-volatile memory of the
Первый этап работы устройства представим в виде следующего алгоритма, описывающего работу устройства на предварительном этапе определения индекса динамического поддиапазона, которому принадлежит измеряемое сопротивление Rx:The first stage of the operation of the device is presented in the form of the following algorithm describing the operation of the device at the preliminary stage of determining the index of the dynamic subband to which the measured resistance R x belongs:
где Rшj[(j)Δtм] - значение шунтирующего сопротивление для m-го динамического поддиапазона при j=m; Δtм - временной мажоритарный интервал, кратный 10 мс; R01 - заданное образцовое сопротивление, включенное в симметричные плечи четырехплечего 3 резистивного моста; R0урмакс (jΔtм) - сопротивление, определяющее верхнюю границу динамического поддиапазона для j=m;wherein R shj [(j) Δt m] - the value of the shunt resistance for the m-th subband dynamic at j = m; Δt m is the time majority interval multiple of 10 ms; R 01 - the specified model resistance included in the symmetrical shoulders of the four shoulders of the 3 resistive bridge; R 0urmax (jΔt m ) is the resistance defining the upper boundary of the dynamic subband for j = m;
- напряжение, характеризующее чувствительность четырехплечего 3 резистивного моста при m=1,2,...; - voltage characterizing the sensitivity of the four shoulders of the 3 resistive bridge at m = 1,2, ...;
R0урмакс(jΔtм)=R0; Um=U0+ΔU·m - изменение исходного напряжения U0 на выходе регулятора 2 опорного напряжения, в зависимости от индекса динамического поддиапазона при m=1,2,...; R01 - образцовое 4 сопротивление;R 0 urmax (jΔt m ) = R 0 ; U m = U 0 + ΔU · m is the change in the initial voltage U 0 at the output of the
- усиленный сигнал разбалансировки моста на выходе инструментального усилителя 10 с коэффициентом усиления Ку; - amplified signal imbalance of the bridge at the output of the
- сигнал разбалансировки моста, после усиления инструментальным усилителем 10 и фильтрации, на выходе фильтра 11 нижних частот с функцией фильтрации ψ[...]; - the bridge unbalance signal, after amplification by
- функция, описывающая сигнал на выходе нуль-органа 12;- a function that describes the signal at the output of the zero-
- мажоритарная функция принимающая значение 1, если мажоритарно выполняется условие Rхшm-R0урмакс(jΔtм)≥0 и ноль - в противоположном случае, реализуемая программно в микропроцессоре 14. - the majority function assuming the
Как видно из предварительного этапа комбинированного алгоритма, принадлежность измеряемого сопротивления Rx соответствующему динамическому поддиапазону определяется по значению мажоритарной функции, равной 1, которая обеспечивает функцию перехода от динамического поддиапазона с меньшим индексом к динамическому поддиапазону с большим индексом.As can be seen from the preliminary stage of the combined algorithm, the belonging of the measured resistance R x to the corresponding dynamic subband is determined by the value of the majority function equal to 1, which provides the transition function from the dynamic subband with a lower index to the dynamic subband with a large index.
Если установлено, что Rx принадлежит динамическому поддиапазону с индексом 0, то программой, записанной в микропроцессоре 14 и управляющей последовательностью выходных управляющих цифровых сигналов микропроцессорной 13 системы, поступающих на управляющие входы выше описанных элементов устройства (регулятор 2 опорного напряжения, ключи 7 коммутации электродов, шунтирующий 8 делитель напряжения, делитель 9 напряжения и нуль-орган 12), реализуется следующий второй и третий этапы комбинированного алгоритма аналого-цифрового преобразования.If it is established that R x belongs to a dynamic sub-range with index 0, then the program recorded in the
Для второго и третьего этапов при m=0 соответствующая запись комбинированного алгоритма представляется в видеFor the second and third stages with m = 0, the corresponding record of the combined algorithm is represented as
где - напряжение, характеризующее чувствительность четырехплечего 3 резистивного моста при m=0.Where is the voltage characterizing the sensitivity of the four-
На этих этапах в отличие от предварительного этапа работы устройства осуществляется преобразование измеряемого сопротивления Rx в цифровой двоичный код комбинированным алгоритмом аналого-цифрового преобразования. На первом этапе выполняется поразрядное уравновешивание для старших разрядов и на втором этапе - следящее уравновешивание для младших разрядов с мажоритарным принятием решения о значении каждого разряда в процессе преобразования. Для динамического поддиапазона с индексом 0 шунтирующие сопротивления в шунтирующем 8 делителе напряжения отключаются.At these stages, in contrast to the preliminary stage of operation of the device, the measured resistance R x is converted to digital binary code by a combined analog-to-digital conversion algorithm. At the first stage, bitwise balancing is performed for the higher digits and at the second stage, the following balancing is performed for the lower digits with a majority decision on the value of each bit in the conversion process. For a dynamic subrange with index 0, the shunt resistances in the
Если установлено, что Rx принадлежит динамическому поддиапазону с индексом, превышающим нулевое значение, то в соответствии с управляющей программой реализуется следующий модифицированный комбинированный алгоритм аналого-цифрового преобразования.If it is established that R x belongs to a dynamic subband with an index exceeding zero, then in accordance with the control program, the following modified combined analog-to-digital conversion algorithm is implemented.
Соответствующий модифицированный комбинированный алгоритм, определяющий работу управляющей программы, записанной в памяти микропроцессора 14, которая управляет последовательностью выходных управляющих цифровых сигналов микропроцессорной 13 системы, имеет видThe corresponding modified combined algorithm that determines the operation of the control program recorded in the memory of
где - напряжение, характеризующее чувствительность четырехплечего 3 резистивного моста для i-го разряда уравновешивающего двоичного кода; Um=U0+ΔU·m - изменение исходного напряжения U0 на выходе регулятора 2 опорного напряжения в зависимости от индекса динамического поддиапазона; R01 - образцовое 4 сопротивление; Ку и ψ[...] - коэффициент усиления Ку инструментального усилителя 10 и передаточная функция фильтра 11 нижних частот;Where - voltage characterizing the sensitivity of the four-
- изменение уравновешивающего сопротивления для динамического поддиапазона с индексом m>0 при изменении номера разряда i от 1 до Nc в зависимости от изменения двоичного кода - change in the resistance to dynamic equilibration subband with index m> 0 when changing the discharge rooms i from 1 to N c, depending on the binary code changes
j=1+m,...,m+Nc - номер мажоритарного такта уравновешивания;j = 1 + m, ..., m + N c is the number of the majority balance beat;
- изменение уравновешивающего сопротивления для динамического поддиапазона с индексом m>0 при изменении номера разряда i от Nc+1 до N в зависимости от изменения двоичного кода - a change in the balancing resistance for the dynamic subband with index m> 0 when the discharge number i changes from N c +1 to N depending on the binary code change
j=m+1+Nc,...,m+Nc+2N-Nc - номер мажоритарного такта уравновешивания;j = m + 1 + N c , ..., m + N c +2 N-Nc is the number of the majority balance beat;
- значение результирующего измеряемого сопротивления зашунтированного сопротивлением λ(m)·R0; - the value of the resulting measured resistance shunted by the resistance λ (m) · R 0 ;
- мажоритарная функция, принимающая значение 1, если мажоритарно выполняется условие и ноль - в противоположном случае; - majority function taking the
- мажоритарная функция, принимающая значение 1, если мажоритарно выполняется условие и -1 - в противоположном случае. - majority function taking the
Как следует из представленного последнего этапа модифицированного комбинированного алгоритма, в отличие от обычного алгоритма поразрядного уравновешивания и следящего алгоритма преобразования, в данном алгоритме коррекция кода осуществляется в соответствии с предложенным способом по знаку ошибки рассогласования нелинейно преобразованной измеряемой и уравновешивающей величины. Реализация данного алгоритма осуществляется на основе микропроцессора 14. При реализации рассмотренного алгоритма аналого-цифрового преобразования изменение уравновешивающего сопротивления для динамического поддиапазона с индексом m>0 осуществляется по двоичному коду управления, который поступает с четвертой группы цифровых выходов микропроцессорной системы 13 на управляющие входы делителя 9 напряжения. Данный двоичный код формируется в соответствии с управляющей программой, реализующий представленный алгоритм в микропроцессоре 14. Значение управляющего кода, поступающего на управляющие входы делителя 9 напряжения, отличного от двоичного кода, получаемого обычным поразрядным уравновешиванием, либо вычисляется в соответствии с формулой As follows from the presented last stage of the modified combined algorithm, in contrast to the conventional bitwise balancing algorithm and the tracking conversion algorithm, in this algorithm, the code is corrected in accordance with the proposed method according to the sign of the mismatch error of the nonlinearly converted measured and balancing value. The implementation of this algorithm is based on the
в текущем такте уравновешивания, либо вычисляется априорно и записывается в энергонезависимое запоминающее устройство 17 с последовательной записью и считыванием. В том и другом случае реализуется функция преобразования код - код. Современные энергонезависимое запоминающие устройства с последовательной записью и считыванием, например, фирмы «Atmel» имеют емкость в 4 Мбайт и позволяют записывать данные по 18 и более разрядному двоичному коду и тем самым выполнять функцию преобразователя код - код.in the current balance beat, or is calculated a priori and written to the
Таким образом, предлагаемое изобретение, благодаря реализации комбинированного алгоритма аналого-цифрового преобразования с мажоритарным установлением значений двоичного разряда и реализации функции нелинейного уравновешивания измеряемого сопротивления, существенно расширяет динамический диапазон цифрового измерения сопротивления биообъектов при сохранении заданной относительной погрешности преобразования.Thus, the present invention, due to the implementation of the combined analog-to-digital conversion algorithm with the majority setting of the binary digits and the implementation of the nonlinear balancing function of the measured resistance, significantly expands the dynamic range of the digital measurement of the resistance of biological objects while maintaining a given relative conversion error.
Действительно, в результате цифрового измерения искомое сопротивление представляется в идееIndeed, as a result of digital measurement, the desired resistance appears in the idea
где m - индекс выбранного динамического поддиапазона, а двоичный код - есть результат преобразования в m-ом выбранном динамическом поддиапазоне. Полная погрешность цифрового измерения, независимо от m-ого выбранного динамическом поддиапазона, складывается из двух составляющих. Первая составляющая - это погрешность выбора динамического поддиапазона и вторая составляющая - это погрешность аналого-цифрового преобразования в выбранном динамическом поддиапазоне. Причем в соответствии с предложенным способом благодаря мажоритарному анализу результатов сравнения измеряемого и уравновешивающего сопротивления, нелинейному комбинированному аналого-цифровому преобразованию входного сопротивления в динамическом поддиапазона с индексом m>0, а также использованию для усиления ошибки разбалансировки четырехплечего 3 резистивного моста инструментального 10 усилителя, фильтра 11 нижних частот и согласованному увеличению источника питания четырехплечего 3 резистивного моста за счет введения регулятора 2 опорного напряжения, увеличение первой и второй составляющей погрешности за счет снижения чувствительности моста при увеличении измеряемого сопротивления сводится к минимуму. Слабая зависимость результирующей погрешности цифрового измерения искомого сопротивления от выбранного динамического поддиапазона существенно расширяет общий динамический диапазон измерения искомого сопротивления диагностируемых биообъектов и повышает надежность их диагностики. Синхронное с аналого-цифровым преобразованием изменение полярности зондирующего сигнала, приложенного к активному и пассивному электродам, устраняет погрешность поляризации.where m is the index of the selected dynamic subband, and the binary code - there is the result of the conversion in the mth selected dynamic subband. The total error of the digital measurement, regardless of the m-th selected dynamic sub-range, consists of two components. The first component is the error of the choice of the dynamic subband and the second component is the error of the analog-to-digital conversion in the selected dynamic subband. Moreover, in accordance with the proposed method, due to the majority analysis of the results of comparison of the measured and balancing impedances, the nonlinear combined analog-to-digital conversion of the input impedance in the dynamic sub-band with the index m> 0, as well as the use of
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005137558/14A RU2330608C2 (en) | 2005-11-28 | 2005-11-28 | Method and device for diagnostics of tooth solid tissues state (bioobjects) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005137558/14A RU2330608C2 (en) | 2005-11-28 | 2005-11-28 | Method and device for diagnostics of tooth solid tissues state (bioobjects) |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2005137558A RU2005137558A (en) | 2007-06-10 |
RU2330608C2 true RU2330608C2 (en) | 2008-08-10 |
Family
ID=38312216
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005137558/14A RU2330608C2 (en) | 2005-11-28 | 2005-11-28 | Method and device for diagnostics of tooth solid tissues state (bioobjects) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2330608C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018056863A1 (en) * | 2016-09-23 | 2018-03-29 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Нпо Румед" | Bioimpedance method for determining body fluid volumes and device for the implementation thereof |
RU2782999C1 (en) * | 2021-10-25 | 2022-11-08 | Вадим Дмитриевич Гончаров | Method for diagnosing the condition of dental tissues and apparatus for implementation thereof |
-
2005
- 2005-11-28 RU RU2005137558/14A patent/RU2330608C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ПРОХОНЧУКОВ А.А. и др. Функциональная диагностика в стоматологической практике. - М.: Медицина, 1980, с.74-78. * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018056863A1 (en) * | 2016-09-23 | 2018-03-29 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Нпо Румед" | Bioimpedance method for determining body fluid volumes and device for the implementation thereof |
RU2692959C2 (en) * | 2016-09-23 | 2019-06-28 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Нпо Румед" | Method of bioimpedance determination of body liquid volumes and device for its implementation |
RU2782999C1 (en) * | 2021-10-25 | 2022-11-08 | Вадим Дмитриевич Гончаров | Method for diagnosing the condition of dental tissues and apparatus for implementation thereof |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2005137558A (en) | 2007-06-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8845870B2 (en) | Digital potentiostat circuit and system | |
JP3183032U (en) | Method and apparatus for determining impedance variation at skin / electrode interface | |
RU2136204C1 (en) | Tester and method for ammeter current measurements | |
Hahn et al. | Systematic errors of EIT systems determined by easily-scalable resistive phantoms | |
Omara et al. | Rasch model of the Child Perceptions Questionnaire for oral health–related quality of life: A step forward toward accurate outcome measures | |
RU2330608C2 (en) | Method and device for diagnostics of tooth solid tissues state (bioobjects) | |
JP2007512900A (en) | Method for sensing / monitoring neuropathy and electronic communication and medical diagnostic apparatus | |
US4331160A (en) | Method for detecting and recording physiological changes accompanying emotional stresses | |
Rutkove et al. | Electrode position and size in electrical impedance myography | |
CN107928636B (en) | Pulse diagnosis instrument with temperature compensation function | |
Mosiychuk et al. | Bioimpedance monitoring of dialysis patients during ultrafiltration | |
Dimas et al. | SPICE and MATLAB simulation and evaluation of Electrical Impedance Tomography readout chain using phantom equivalents | |
RU2504328C1 (en) | Device for controlling anisotropy of electric conductivity of biotissues | |
CN110584637A (en) | Method for calculating blood pressure variation number | |
Hahn et al. | Determination of the dynamic measurement error of EIT systems | |
Rugh et al. | Variability in commercial electromyographic biofeedback devices | |
RU2714954C1 (en) | Method of determining parameters of multielement two-terminal networks | |
CN112957028B (en) | Comprehensive abdominal health detection analyzer and analysis method thereof | |
RU2121291C1 (en) | Device for measuring of electrodermal resistance | |
Rao et al. | Investigation on pulse reading using flexible pressure sensor | |
RU2268643C2 (en) | Method of measurement of electric-skin resistance of acupuncture points, device for realization (versions) | |
RU2432900C2 (en) | Multifrequency bioimpedance metre | |
RU2576574C1 (en) | Method of electroacupuncture diagnostics of the functional state of the organism | |
RU2171473C1 (en) | Electrical bridge | |
Toomim et al. | GENERAL EQUIPMENT SPECIFICATIONS |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20091129 |