RU2504328C1 - Device for controlling anisotropy of electric conductivity of biotissues - Google Patents

Device for controlling anisotropy of electric conductivity of biotissues Download PDF

Info

Publication number
RU2504328C1
RU2504328C1 RU2012128471/14A RU2012128471A RU2504328C1 RU 2504328 C1 RU2504328 C1 RU 2504328C1 RU 2012128471/14 A RU2012128471/14 A RU 2012128471/14A RU 2012128471 A RU2012128471 A RU 2012128471A RU 2504328 C1 RU2504328 C1 RU 2504328C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
input
output
electrodes
analog
current
Prior art date
Application number
RU2012128471/14A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012128471A (en
Inventor
Римма Александровна Томакова
Сергей Алексеевич Филист
Александр Алексеевич Кузьмин
Марина Николаевна Кузьмина
Виктор Александрович Алексенко
Иван Иванович Волков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ)
Priority to RU2012128471/14A priority Critical patent/RU2504328C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2012128471A publication Critical patent/RU2012128471A/en
Publication of RU2504328C1 publication Critical patent/RU2504328C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: invention relates to medical equipment. Device for measuring impedance of biological tissues contains successively connected matrix of N electrodes, commutation unit, instrument amplifier, detector unit, multi-channel ADC, microcontroller and PC. First and second digital-analogue converters, power amplifier and unit of current measurement are included into device. Commutation unit includes two analogue multiplexors and two analogue demultiplexors. N analogous inlets of each multiplexor are connected with respective N electrodes of electrode matrix, and N analogue outlets of each demultiplexor are connected with respective N electrodes of electrode matrix. Address inlets of either of two multiplexors and two demultiplexors are connected respectively with first four microcontroller outlets. First outlet of first multiplexor is connected with first inlet of instrument amplifier. Outlet of second multiplexor is connected with second inlet of instrument amplifier. Inlet of first demultiplexor is connected with first outlet of power amplifier. Inlet of second demultiplexor is connected with first outlet of current measurement unit.
EFFECT: application of the invention will make it possible to increase accuracy of measurement of electric conductivity of biotissues with change of probing current direction.
4 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к медицине, а именно к устройствам для измерения электрических свойств биотканей. Предлагаемое устройство может найти применение при диагностике инфекционных и онкологических заболеваний.The invention relates to medicine, namely to devices for measuring the electrical properties of biological tissues. The proposed device may find application in the diagnosis of infectious and oncological diseases.

Известно устройство для измерения активной и реактивной составляющих импеданса биологических тканей (Авторское свидетельство СССР 1759402, кл. А61В 5/05, 1990), содержащее генератор симметричных прямоугольных импульсов, интегратор, преобразователь напряжение-ток, два токовых электрода, два потенциальных электрода, дифференциальный усилитель, синхронный детектор, двухпозиционный переключатель, фазосдвигающий каскад, усилитель постоянного тока и измерительный прибор.A device for measuring the active and reactive components of the impedance of biological tissues (USSR Author's Certificate 1759402, class А61В 5/05, 1990), comprising a symmetrical rectangular pulse generator, an integrator, a voltage-current converter, two current electrodes, two potential electrodes, a differential amplifier , synchronous detector, on / off switch, phase shifting cascade, DC amplifier and measuring device.

Недостатком устройства является то, что в устройстве измерение происходит только на фиксированной частоте, что сужает возможности исследования электрических свойств биотканей.The disadvantage of this device is that in the device the measurement takes place only at a fixed frequency, which narrows the possibilities of studying the electrical properties of biological tissues.

Известно устройство для измерения активной и емкостной составляющих импеданса небных миндалин (см. патент РФ №2319443, опубл. 20.03.2008), содержащее генератор импульсов, последовательно соединенные входное устройство, синхронный демодулятор, усилитель постоянного тока и аналого-цифровой преобразователь, два делителя частоты пополам, последовательно соединенные триггер Шмидта, прямой интегратор, нелинейный преобразователь линейно изменяющегося напряжения в синусоидальное, преобразователь напряжение-ток, согласующий трансформатор, конвертор емкостного сопротивления, второй синхронный демодулятор, переключатель «активное сопротивление-емкостное сопротивление» и устройство индикации.A device for measuring the active and capacitive components of the impedance of the tonsils (see RF patent No. 2319443, publ. March 20, 2008), comprising a pulse generator, a serially connected input device, a synchronous demodulator, a DC amplifier and an analog-to-digital converter, two frequency dividers in half, Schmidt trigger connected in series, direct integrator, non-linear converter of linearly changing voltage to sinusoidal, voltage-current converter, matching transformer, envelope p capacitance, the second synchronous demodulator switch "resistance-capacitance" and the display device.

Недостатком устройства является применение нелинейного преобразователя линейно изменяющегося напряжения в синусоидальное, которое сложно поддается настройке и обладает нестабильностью характеристик при изменении генерируемого сигнала в широком диапазоне.The disadvantage of this device is the use of a nonlinear converter of linearly varying voltage in a sinusoidal, which is difficult to configure and has instability of characteristics when changing the generated signal in a wide range.

Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения активной и емкостной составляющих импеданса биологических тканей (см. патент РФ №2196504, опубл. 20.01.2003), содержащее генератор напряжений, два токовых и два потенциальных электрода, усилители и индикатор величин сопротивления ткани, причем генератор синусоидальных напряжений последовательно соединен с четырехканальным мультиплексором и широкополосным усилителем с изменяемым коэффициентом усиления, к выходу которого подключен один из токовых электродов четырехконтактного зонда, а другой его токовый электрод подключен через резистор к широкополосному усилителю, выход которого подключен к компаратору напряжения и фазовому детектору, соединенному с низкочастотным фильтром, выход которого подключен к одному входу операционного усилителя, к другому входу которого подключен потенциометр, а к выходу - вход управления широкополосного усилителя с изменяемым коэффициентом усиления, два потенциальных электрода четырехконтактного зонда соединены через соответствующие повторители напряжения с фазочувствительным измерителем разности двух напряжений, выход которого через усилитель постоянного напряжения с двумя фиксированными коэффициентами усиления и аналого-цифровой преобразователь подключен к жидкокристаллическому индикатору, а вход управления подключен к выходу двухпозиционного переключателя, при этом вход компаратора напряжений соединен с одним входом двухпозиционного переключателя и через формирователь задержки с четырехканальным мультиплексором - с другим его входом.Closest to the invention is a device for measuring the active and capacitive components of the impedance of biological tissues (see RF patent No. 2196504, publ. 20.01.2003), containing a voltage generator, two current and two potential electrodes, amplifiers and an indicator of tissue resistance values, and the generator sinusoidal voltage is connected in series with a four-channel multiplexer and a broadband amplifier with a variable gain, the output of which is connected to one of the four-pin current electrodes the probe, and its other current electrode is connected through a resistor to a broadband amplifier, the output of which is connected to a voltage comparator and a phase detector connected to a low-pass filter, the output of which is connected to one input of the operational amplifier, the potentiometer is connected to the other input, and the input is connected to the output the control of a broadband amplifier with a variable gain, two potential electrodes of a four-pin probe are connected through the corresponding voltage followers with a phase detector a two voltage difference meter, the output of which is connected to a liquid crystal indicator through a constant voltage amplifier with two fixed amplification factors and an analog-to-digital converter, and the control input is connected to the output of the on-off switch, while the input of the voltage comparator is connected to one input of the on-off switch and through the former delays with a four-channel multiplexer - with its other input.

В рассмотренном устройстве измерение происходит только на четырех фиксированных частотах, что сужает возможности исследования электрических свойств биотканей.In the considered device, measurement takes place only at four fixed frequencies, which narrows the possibilities of studying the electrical properties of biological tissues.

Основным недостатком перечисленных выше устройств является то, что они измеряют электрическое сопротивление биоматериала, в то время как информацию о функциональном состоянии живой системы несет удельная электропроводность биоматериала. Качественную картину распределения удельной электропроводности по биоматериалу может дать контроль анизотропии электрической проводимости. Но вышеперечисленные устройства не позволяют исследовать анизотропию электрической проводимости биотканей in vivo, так как измерение происходит только между двумя потенциальными электродами, а изменение направления зондирующего тока в исследуемой биологической ткани связано с перемещением электродов, что приводит к существенным погрешностям и временным задержкам, во время которых живая ткань изменяет свои электрические свойства в результате жизнедеятельности и внешних воздействий, что снижает ценность исследования.The main disadvantage of the above devices is that they measure the electrical resistance of the biomaterial, while the electrical conductivity of the biomaterial carries information about the functional state of the living system. A qualitative picture of the distribution of electrical conductivity over a biomaterial can be given by anisotropy control of electrical conductivity. But the above devices do not allow to study the anisotropy of the electrical conductivity of biological tissues in vivo, since the measurement occurs only between two potential electrodes, and the change in the direction of the probe current in the biological tissue under study is associated with the movement of the electrodes, which leads to significant errors and time delays during which the live tissue changes its electrical properties as a result of life and external influences, which reduces the value of the study.

Задачей заявляемого устройства является осуществление контроля анизотропии электрических свойств биотканей на различных частотах.The task of the claimed device is to control the anisotropy of the electrical properties of biological tissues at different frequencies.

Поставленная задача решается посредством того, что в устройство для измерения импеданса биологических тканей, содержащее последовательно соединенные матрицу электродов, включающую N электродов, блок коммутации, N сигнальных входов-выходов которого соединены с соответствующими N электродами электродной матрицы, инструментальный усилитель, второй вход которого соединен со вторым выходом блока коммутации, блок детекторов, многоканальный АЦП, два первых аналоговых входа которого соединены с соответствующими выходами блока детекторов, микроконтроллер, четыре первых выхода которого соединены с соответствующими входами управления блока коммутации, а пятый выход соединен с четвертым входом АЦП, и ЭВМ, дополнительно введены первый цифроаналоговый преобразователь, вход которого подключен к шестому выходу микроконтроллера, а выход подключен ко второму входу блока детекторов, второй цифроаналоговый преобразователь, вход которого подключен к седьмому выходу микроконтроллера, а выход - к третьему входу блока детекторов, усилитель мощности, вход которого подключен к выходу первого цифроаналогового преобразователя, а первый выход - к первому токовому входу блока коммутации, и блок измерения тока, вход которого подключен ко второму выходу усилителя мощности, первый выход - ко второму токовому входу блока коммутации, второй выход подключен к третьему аналоговому входу многоканального АЦП, а блок коммутации включает два аналоговых мультиплексора и два аналоговых демультиплексора, N аналоговых входов каждого из мультиплексоров соединены с соответствующими N электродами электродной матрицы, а N аналоговых выходов каждого из демультиплексоров соединены с соответствующими N электродами электродной матрицы, адресные входы каждого из двух мультиплексоров и двух демультиплексоров соединены соответственно с первыми четырьмя выходами микроконтроллера, первый выход первого мультиплексора соединен с первым входом инструментального усилителя, выход второго мультиплексора соединен со вторым входом инструментального усилителя, вход первого демультиплексора соединен с первым выходом усилителя мощности, а вход второго демультиплексора соединен с первым выходом блока измерения тока.The problem is solved by the fact that in a device for measuring the impedance of biological tissues, containing a series-connected matrix of electrodes, including N electrodes, a switching unit, N signal inputs-outputs of which are connected to the corresponding N electrodes of the electrode matrix, an instrument amplifier, the second input of which is connected to the second output of the switching unit, the detector unit, a multi-channel ADC, the first two analog inputs of which are connected to the corresponding outputs of the detector unit, m a microcontroller, the first four outputs of which are connected to the corresponding control inputs of the switching unit, and the fifth output is connected to the fourth input of the ADC and the computer, the first digital-to-analog converter is introduced, the input of which is connected to the sixth output of the microcontroller, and the output is connected to the second input of the detector block, the second digital-to-analog converter, the input of which is connected to the seventh output of the microcontroller, and the output - to the third input of the detector block, a power amplifier, the input of which is connected to the output of the first digital-to-analog converter, and the first output is to the first current input of the switching unit, and the current measuring unit, the input of which is connected to the second output of the power amplifier, the first output is to the second current input of the switching unit, the second output is connected to the third analog input of the multi-channel ADC, and the switching unit includes two analog multiplexers and two analog demultiplexers, N analog inputs of each of the multiplexers are connected to the corresponding N electrodes of the electrode array, and N analog outputs each of the demultiplexers are connected to the corresponding N electrodes of the electrode matrix, the address inputs of each of two multiplexers and two demultiplexers are connected respectively to the first four outputs of the microcontroller, the first output of the first multiplexer is connected to the first input of the instrument amplifier, the output of the second multiplexer is connected to the second input of the instrument amplifier, input the first demultiplexer is connected to the first output of the power amplifier, and the input of the second demultiplexer is connected to output of the current measurement unit.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства.Figure 1 presents the structural diagram of the proposed device.

На фиг.2 представлена структурная схема блока коммутации.Figure 2 presents the structural diagram of the switching unit.

На фиг.3 представлена структурная схема блока детекторов.Figure 3 presents a structural diagram of a block of detectors.

На фиг.4 представлена структурная схема блока измерения тока.Figure 4 presents the structural diagram of the current measurement unit.

Устройство для контроля анизотропии электрической проводимости биотканей (Фиг.1) содержит матрицу электродов 1, включающую N электродов, блок коммутации 2, N сигнальных входов-выходов которого соединены с соответствующими N электродами электродной матрицы 1, инструментальный усилитель 3, первый и второй вход которого соединены, соответственно, с первым и вторым выходами блока коммутации 2, блок детекторов 4, первый вход которого соединен с выходом инструментального усилителя 3, многоканальный АЦП 5, два первых аналоговых входа которого соединены с соответствующими выходами блока детекторов 4, микроконтроллер 6, вход которого соединен с выходом АЦП 5, четыре его первых выхода соединены с соответствующими входами управления блока коммутации 2, а пятый выход соединен с четвертым входом АЦП 5, ЭВМ 7, порт которой соединен с портом микроконтроллера 6, первый цифроаналоговый преобразователь 8, вход которого подключен к шестому выходу микроконтроллера 6, а выход подключен ко второму входу блока детекторов 4, второй цифроаналоговый преобразователь 9, вход которого подключен к седьмому выходу микроконтроллера 6, а выход - к третьему входу блока детекторов 4, усилитель мощности 10, вход которого подключен к выходу первого цифроаналогового преобразователя 8, а первый выход - к первому токовому входу блока коммутации 2, и блок измерения тока 11, вход которого подключен ко второму выходу усилителя мощности 10, первый выход - ко второму токовому входу блока коммутации 2, второй выход подключен к третьему аналоговому входу многоканального АЦП 5.A device for controlling the anisotropy of the electrical conductivity of biological tissues (Figure 1) contains an array of electrodes 1, including N electrodes, a switching unit 2, N signal inputs and outputs of which are connected to the corresponding N electrodes of the electrode matrix 1, an instrument amplifier 3, the first and second input of which are connected , respectively, with the first and second outputs of switching unit 2, the detector unit 4, the first input of which is connected to the output of the instrumentation amplifier 3, a multi-channel ADC 5, the first two analog inputs of which are connected connected to the corresponding outputs of the detector unit 4, the microcontroller 6, the input of which is connected to the output of the ADC 5, its four first outputs are connected to the corresponding control inputs of the switching unit 2, and the fifth output is connected to the fourth input of the ADC 5, computer 7, the port of which is connected to the port microcontroller 6, the first digital-to-analog converter 8, whose input is connected to the sixth output of the microcontroller 6, and the output is connected to the second input of the detector unit 4, the second digital-to-analog converter 9, whose input is connected to the seventh the microcontroller 6 ode, and the output is to the third input of the detector unit 4, the power amplifier 10, the input of which is connected to the output of the first digital-to-analog converter 8, and the first output is to the first current input of the switching unit 2, and the current measuring unit 11, the input of which is connected to the second output of the power amplifier 10, the first output is to the second current input of the switching unit 2, the second output is connected to the third analog input of the multi-channel ADC 5.

Блок коммутации (Фиг.2) включает два аналоговых мультиплексора 12 и 13 и два аналоговых демультиплексора 14 и 15, N аналоговых входов каждого из мультиплексоров соединены с соответствующими N электродами электродной матрицы 1, а N аналоговых выходов каждого из демультиплексоров соединены с соответствующими N электродами электродной матрицы 1, адресные входы каждого из двух мультиплексоров 12 и 13 и двух демультиплексоров 14 и 15 соединены, соответственно, с первыми четырьмя выходами микроконтроллера 6, первый выход первого мультиплексора 12 соединен с первым входом инструментального усилителя 3, выход второго мультиплексора 13 соединен со вторым входом инструментального усилителя 2, вход первого демультиплексора 14 соединен с первым выходом усилителя мощности 10, а вход второго демультиплексора 15 соединен с первым выходом блока измерения тока 11.The switching unit (Figure 2) includes two analog multiplexers 12 and 13 and two analog demultiplexers 14 and 15, N analog inputs of each of the multiplexers are connected to the corresponding N electrodes of the electrode matrix 1, and N analog outputs of each of the demultiplexers are connected to the corresponding N electrodes of the electrode matrix 1, the address inputs of each of two multiplexers 12 and 13 and two demultiplexers 14 and 15 are connected, respectively, with the first four outputs of the microcontroller 6, the first output of the first multiplexer 12 is connected the first input of the instrumentation amplifier 3, the output of the second multiplexer 13 is connected to the second input of the instrumentation amplifier 2, the first input of the demultiplexer 14 is connected to the first output of the power amplifier 10 and the input of the second demultiplexer 15 is connected to the first output current measuring unit 11.

Блок детекторов (Фиг.3) включает первый умножитель 16, первый вход которого соединен с выходом инструментального усилителя 3, а второй вход - с выходом первого ЦАП 8, второй умножитель 17, первый вход которого соединен с выходом инструментального усилителя 3, а второй вход - с выходом второго ЦАП 9, первый ФНЧ 18, вход которого соединен с выходом первого умножителя 16, а выход соединен с первым входом АЦП 5, второй ФНЧ 19, вход которого соединен с выходом второго умножителя 17, а выход соединен со вторым входом АЦП 5.The detector block (Fig. 3) includes a first multiplier 16, the first input of which is connected to the output of the instrumentation amplifier 3, and the second input is connected to the output of the first DAC 8, the second multiplier 17, the first input of which is connected to the output of the instrumentation amplifier 3, and the second input is with the output of the second DAC 9, the first low-pass filter 18, the input of which is connected to the output of the first multiplier 16, and the output is connected to the first input of the ADC 5, the second low-pass filter 19, whose input is connected to the output of the second multiplier 17, and the output is connected to the second input of the ADC 5.

Блок измерения тока (Фиг.4) включает измерительный резистор 20, вход которого соединен со вторым выходом усилителя мощности 10, а выход - со вторым входом блока коммутации 2, инструментальный усилитель 21, два входа которого подключены, соответственно, к входу и к выходу измерительного резистора 20, амплитудный детектор 22, вход которого подключен к выходу инструментального усилителя 21, а выход - к третьему входу АЦП 5.The current measuring unit (Figure 4) includes a measuring resistor 20, the input of which is connected to the second output of the power amplifier 10, and the output is connected to the second input of the switching unit 2, the instrument amplifier 21, two inputs of which are connected, respectively, to the input and output of the measuring resistor 20, an amplitude detector 22, the input of which is connected to the output of the instrumentation amplifier 21, and the output to the third input of the ADC 5.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Матрицу электродов 1 устанавливают на цилиндрическую поверхность живого объекта: руку, ногу и т.п. Таким образом электроды матрицы образуют форму кольца. Пара электродов на этом кольце - это два электрода, лежащие на оси, образованной одним и тем же диаметром кольца. В электродной матрице 1 каждая пара электродов может быть как токовой, так и измерительной. Пары электродов формирует блок коммутации 2 согласно коду, выставленному микроконтроллером 6 на адресных линиях блока коммутации 2. Блок коммутации состоит из двух аналоговых мультиплексоров и двух аналоговых демультиплексоров (см. фиг.2). Мультиплексоры согласно адресным входам 1 и адресным входам 2 выбирают пару измерительных электродов, а демультиплексоры согласно адресным входам 3 и адресным входам 4 выбирают пару токовых электродов.The matrix of electrodes 1 is installed on the cylindrical surface of a living object: arm, leg, etc. Thus, the electrodes of the matrix form a ring shape. A pair of electrodes on this ring are two electrodes lying on an axis formed by the same diameter of the ring. In the electrode matrix 1, each pair of electrodes can be both current and measuring. The pair of electrodes forms the switching unit 2 according to the code set by the microcontroller 6 on the address lines of the switching unit 2. The switching unit consists of two analog multiplexers and two analog demultiplexers (see figure 2). Multiplexers according to address inputs 1 and address inputs 2 select a pair of measuring electrodes, and demultiplexers according to address inputs 3 and address inputs 4 select a pair of current electrodes.

В качестве генератора зондирующего тока для повышения точности и стабильности характеристик в схему введены ЦАП1 8 и ЦАП2 9. Микроконтроллер 6 из своей памяти выводит цифровой поток отсчетов, соответствующих отсчетам синусоиды, в ЦАП1 8 и в ЦАП2 9 с фазовым сдвигом в 90 градусов. То есть микроконтроллер 6 производит прямой цифровой синтез квадратурного сигнала, тем самым обеспечивая стабильность характеристик и требуемую точность в сдвиге фаз на 90 градусов.As a probe current generator, to increase the accuracy and stability of characteristics, DAC1 8 and DAC2 9 are introduced into the circuit. Microcontroller 6 from its memory outputs a digital stream of samples corresponding to samples of a sinusoid in DAC1 8 and in DAC2 9 with a phase shift of 90 degrees. That is, the microcontroller 6 performs direct digital synthesis of the quadrature signal, thereby ensuring the stability of the characteristics and the required accuracy in the phase shift of 90 degrees.

Основной зондирующий сигнал с ЦАП1 8 усиливается усилителем мощности 10 и через блок коммутации 2 подается на выбранную токовую пару электродов электродной матрицы 1. Выбранная блоком коммутации 2 измерительная пара электродов подключается к инструментальному усилителю 3, который обеспечивает высокое входное сопротивление измерительной схемы. Усиленный измерительный сигнал с инструментального усилителя 3 подается на блок детекторов, куда также подключены выход ЦАП1 8 и выход ЦАП2 9. Блок детекторов 4 с помощью двух умножителей 16 и 17 и двух ФНЧ 18 и 19 (см. фиг.3) осуществляет синхронное детектирование измерительного сигнала и формирует два напряжения, пропорциональные активной и реактивной составляющей импеданса биоткани. Для регистрации результата используется многоканальный АЦП 5, который преобразует подаваемые на него напряжения в цифровой вид и передает цифровые отсчеты в микроконтроллер 6 для последующего хранения и обработки.The main probe signal with DAC1 8 is amplified by a power amplifier 10 and, through a switching unit 2, is supplied to the selected current pair of electrodes of the electrode array 1. The measuring pair of electrodes selected by the switching unit 2 is connected to the instrumental amplifier 3, which provides a high input resistance of the measuring circuit. The amplified measuring signal from the instrumental amplifier 3 is fed to the detector unit, where the output of DAC1 8 and the output of DAC2 are also connected 9. The detector unit 4, using two multipliers 16 and 17 and two low-pass filters 18 and 19 (see Fig. 3), performs synchronous detection of the measurement of the signal and forms two voltages proportional to the active and reactive components of the biotissue impedance. To record the result, a multi-channel ADC 5 is used, which converts the voltage supplied to it into a digital form and transmits the digital samples to the microcontroller 6 for subsequent storage and processing.

Для расширения динамического диапазона измерительного тракта микроконтроллер 6 управляет не только формой зондирующего сигнала, но также и его амплитудой. Для контроля амплитуды зондирующего тока в схему устройства введен блок измерения зондирующего тока 11, который представляет собой измерительный резистор 20 (см. фиг.4), инструментальный усилитель 21 и амплитудный детектор 22. Измерительный резистор 20 небольшого номинала последовательно соединен в цепь зондирующего тока. Падение напряжения на измерительном резисторе 20 усиливается инструментальным усилителем 21 и далее передается на амплитудный детектор 22. Амплитудный детектор 22 формирует напряжение, пропорциональное амплитуде входного сигнала. Далее это напряжение передается на аналоговый вход АЦП 5, который преобразует его в цифровой вид и передает далее в микроконтроллер 6. На основе информации, получаемой из блока измерения тока 11, микроконтроллер 6 осуществляет стабилизацию зондирующего тока посредством управления амплитудой выходного сигнала ЦАП1 8.To expand the dynamic range of the measuring path, the microcontroller 6 controls not only the shape of the probe signal, but also its amplitude. To control the amplitude of the probing current, a probe current measuring unit 11 is introduced into the device circuit, which is a measuring resistor 20 (see Fig. 4), an instrument amplifier 21, and an amplitude detector 22. A small measuring resistor 20 is connected in series to the probe current circuit. The voltage drop across the measuring resistor 20 is amplified by the instrumentation amplifier 21 and then transmitted to the amplitude detector 22. The amplitude detector 22 generates a voltage proportional to the amplitude of the input signal. Further, this voltage is transmitted to the analog input of the ADC 5, which converts it to digital form and transfers it to the microcontroller 6. Based on the information received from the current measuring unit 11, the microcontroller 6 stabilizes the probing current by controlling the amplitude of the output signal of the DAC1 8.

Для визуализации результатов измерения, а также для длительного хранения результатов, настройки параметров устройства используется ЭВМ 7.To visualize the measurement results, as well as for long-term storage of the results, configure the device parameters, a computer 7 is used.

Посредством пары токовых электродов через усилитель мощности 10 в биообъекте возбуждается ток, вектор плоскости которого расположен в биообъекте под некоторым углом Ψ (направление вектора является среднестатистическим).By means of a pair of current electrodes, a current is excited in a bioobject through a power amplifier 10, the plane vector of which is located in the bioobject at a certain angle Ψ (the direction of the vector is average).

Угол Ψ можно фиксировать относительно любой оси декартовых координат. В качестве такой оси выбирается любая ось, на которой лежит соответствующая электродная пара, например электроды номер 1 и номер (N/2+1), где N - число электродов в электродной матрице 1 (должно быть четным для образования электродных пар). В этом случае все остальные пары электродов будут измерительными и блок коммутации 2 последовательно подключает их к входам инструментального усилителя 3, то есть блок коммутации 2 меняет угол потенциальных электродов по отношению к токовым электродам от (Ψ+360°/N) до (Ψ+360°-360°/N).The angle Ψ can be fixed relative to any axis of the Cartesian coordinates. As such an axis, any axis on which the corresponding electrode pair lies, for example, electrodes number 1 and number (N / 2 + 1), where N is the number of electrodes in the electrode matrix 1 (must be even for the formation of electrode pairs). In this case, all other pairs of electrodes will be measuring and switching unit 2 sequentially connects them to the inputs of the instrumentation amplifier 3, i.e., switching unit 2 changes the angle of potential electrodes with respect to current electrodes from (Ψ + 360 ° / N) to (Ψ + 360 ° -360 ° / N).

Далее усиленный сигнал подается на первые входы умножителей 16 и 17, где происходит синхронное детектирование, причем первый умножитель 16 формирует напряжение, пропорциональное активной составляющей импеданса, а второй умножитель 17 формирует напряжение, пропорциональное реактивной составляющей импеданса биоткани, так как на первые входы этих детекторов поступает квадратурный сигнал от ЦАП1 8 и ЦАП2 9.Next, the amplified signal is fed to the first inputs of the multipliers 16 and 17, where synchronous detection occurs, with the first multiplier 16 generating a voltage proportional to the active component of the impedance, and the second multiplier 17 generating a voltage proportional to the reactive component of the impedance of the biological tissue, since the first inputs of these detectors receive quadrature signal from DAC1 8 and DAC2 9.

Активную и реактивную составляющую импеданса преобразует из аналогового в цифровой вид АЦП 5. Результат преобразования поступает в микроконтроллер 6 для хранения и анализа.The active and reactive component of the impedance is converted from analog to digital form of the ADC 5. The conversion result is sent to the microcontroller 6 for storage and analysis.

После того как напряжения на всех (N/2-1) парах сигнальных электродов измерены и записаны в память микроконтроллера 6, изменяется направление ввода тока в биообъект с помощью блока коммутации 2, то есть в качестве токовой выбирается следующая пара электродов. Следовательно, направление ввода тока в биообъект Ψ дискретно изменяется с шагом 360°/N от нуля до (360°-360°/N). Число направлений ввода тока составит N, а число возможных измерений, приходящихся на каждое направление ввода, - (N/2-1).After the voltages at all (N / 2-1) pairs of signal electrodes are measured and recorded in the memory of microcontroller 6, the direction of the current input into the biological object with the help of switching unit 2 changes, that is, the next pair of electrodes is selected as the current. Therefore, the direction of the current input into the biological object Ψ changes discretely with a step of 360 ° / N from zero to (360 ° -360 ° / N). The number of current input directions will be N, and the number of possible measurements per each input direction will be (N / 2-1).

В табл.1 представлен формат данных, которые получены в результате работы устройства.Table 1 shows the format of the data obtained as a result of the operation of the device.

Таблица 1Table 1 Формат представления данных в системе сбора данныхData Presentation Format in a Data Acquisition System No. φ=360°/N (относительно Ψ)φ = 360 ° / N (relative to Ψ) ΨΨ UU 1one 00 аbut 11eleven 22 360°/N360 ° / N аbut 2121 ... ... ... ... ... ... N/2-1N / 2-1 180°-360°/N180 ° -360 ° / N aa N/2,1N / 2.1 N/2N / 2 180°180 ° aa N/2+1,1N / 2 + 1.1 N/2+1N / 2 + 1 180°+360°/N180 ° + 360 ° / N aa N/2+2,1N / 2 + 2.1 ... ... ... NN 360°-360°/N360 ° -360 ° / N aa N,1N, 1

В табл.1 угол φ измеряется относительно оси, определяемой углом Ψ, и соответствует углу между токовой парой электродов и измерительной парой. Число строк в таблице N.In Table 1, the angle φ is measured relative to the axis determined by the angle и and corresponds to the angle between the current pair of electrodes and the measuring pair. The number of rows in table N.

Переход от строки к строке представленной таблицы соответствует повороту возбуждающей системы относительно оси на угол 360°/N. Если анизотропия электрических свойств биоткани отсутствует, то поворот не окажет влияние на результаты измерений, так как измерительные электроды не изменили своего положения относительно токовых электродов.The transition from row to row of the presented table corresponds to the rotation of the exciting system relative to the axis by an angle of 360 ° / N. If there is no anisotropy of the electrical properties of the biological tissue, then the rotation will not affect the measurement results, since the measuring electrodes have not changed their position relative to the current electrodes.

Если положить, что вектор плотности тока

Figure 00000001
при фиксированном положении токовых электродов Ψ, и учитывая, что при этом напряженность поля E=U/d, где d - диаметр кольца, по которым расположены электроды матрицы, а угол 360/N достаточно мал, то напряжение на сигнальной паре электродов, отстоящей на угол 360/N от токовой пары, пропорционально удельной электрической проводимости биоткани для заданного направления вектора плотности тока.If we assume that the current density vector
Figure 00000001
at a fixed position of the current electrodes Ψ, and taking into account that the field strength E = U / d, where d is the diameter of the ring along which the matrix electrodes are located, and the angle 360 / N is quite small, then the voltage at the signal pair of electrodes spaced at 360 / N angle from the current pair, in proportion to the electrical conductivity of the biological tissue for a given direction of the current density vector.

Показатель анизотропии электрической проводимости оценивается дисперсией множества {Uψi+1/Uψ0}, где i=0,…, N-1,

Figure 00000002
.The anisotropy index of electrical conductivity is estimated by the dispersion of the set {Uψ i + 1 / Uψ 0 }, where i = 0, ..., N-1,
Figure 00000002
.

Таким образом, представленное устройство позволяет контролировать анизотропию проводимости биоткани как в статическом режиме, так и в процессе активных воздействий на биообъект, например, посредством медикаментозного воздействия или физиотерапевтических процедур. Это позволяет контролировать реакции организма на условия внешней среды или лечебно-оздоровительные процедуры, следовательно, осуществлять управление функциональным состоянием живой системы.Thus, the presented device allows you to control the anisotropy of the conductivity of the biological tissue both in the static mode and in the process of active effects on the biological object, for example, through medication or physiotherapeutic procedures. This allows you to control the body’s reactions to environmental conditions or medical procedures, therefore, to control the functional state of the living system.

Claims (1)

Устройство для измерения импеданса биологических тканей, содержащее последовательно соединенные матрицу электродов, включающую N электродов, блок коммутации, N сигнальных входов-выходов которого соединены с соответствующими N электродами электродной матрицы, инструментальный усилитель, второй вход которого соединен со вторым выходом блока коммутации, блок детекторов, многоканальный АЦП, два первых аналоговых входа которого соединены с соответствующими выходами блока детекторов, микроконтроллер, четыре первых выхода которого соединены с соответствующими входами управления блока коммутации, а пятый выход соединен с четвертым входом АЦП, и ЭВМ, отличающееся тем, что в него дополнительно введены первый цифроаналоговый преобразователь, вход которого подключен к шестому выходу микроконтроллера, а выход подключен ко второму входу блока детекторов, второй цифроаналоговый преобразователь, вход которого подключен к седьмому выходу микроконтроллера, а выход - к третьему входу блока детекторов, усилитель мощности, вход которого подключен к выходу первого цифроаналогового преобразователя, а первый выход - к первому токовому входу блока коммутации, и блок измерения тока, вход которого подключен ко второму выходу усилителя мощности, первый выход - ко второму токовому входу блока коммутации, второй выход подключен к третьему аналоговому входу многоканального АЦП, а блок коммутации включает два аналоговых мультиплексора и два аналоговых демультиплексора, N аналоговых входов каждого из мультиплексоров соединены с соответствующими N электродами электродной матрицы, а N аналоговых выходов каждого из демультиплексоров соединены с соответствующими N электродами электродной матрицы, адресные входы каждого из двух мультиплексоров и двух демультиплексоров соединены соответственно с первыми четырьмя выходами микроконтроллера, первый выход первого мультиплексора соединен с первым входом инструментального усилителя, выход второго мультиплексора соединен со вторым входом инструментального усилителя, вход первого демультиплексора соединен с первым выходом усилителя мощности, а вход второго демультиплексора соединен с первым выходом блока измерения тока. A device for measuring the impedance of biological tissues, containing a serially connected matrix of electrodes, including N electrodes, a switching unit, N signal input-outputs of which are connected to the corresponding N electrodes of the electrode matrix, an instrument amplifier, the second input of which is connected to the second output of the switching unit, the detector unit, a multi-channel ADC, the first two analog inputs of which are connected to the corresponding outputs of the detector unit, a microcontroller, the first four outputs of which are connected They are connected to the corresponding control inputs of the switching unit, and the fifth output is connected to the fourth input of the ADC and the computer, characterized in that the first digital-to-analog converter is added to it, the input of which is connected to the sixth output of the microcontroller, and the output is connected to the second input of the detector block, the second digital-to-analog converter, the input of which is connected to the seventh output of the microcontroller, and the output is to the third input of the detector block, a power amplifier, the input of which is connected to the output of the first digital-analog converter, and the first output is to the first current input of the switching unit, and the current measuring unit, the input of which is connected to the second output of the power amplifier, the first output is to the second current input of the switching unit, the second output is connected to the third analog input of the multi-channel ADC, and the switching unit includes two analog multiplexers and two analog demultiplexers, N analog inputs of each of the multiplexers are connected to the corresponding N electrodes of the electrode matrix, and N analog outputs of each of the demultiplexes cores are connected to the corresponding N electrodes of the electrode array, the address inputs of each of the two multiplexers and two demultiplexers are connected respectively to the first four outputs of the microcontroller, the first output of the first multiplexer is connected to the first input of the instrument amplifier, the output of the second multiplexer is connected to the second input of the instrument amplifier, the input of the first demultiplexer connected to the first output of the power amplifier, and the input of the second demultiplexer is connected to the first output of the unit current Ia.
RU2012128471/14A 2012-07-06 2012-07-06 Device for controlling anisotropy of electric conductivity of biotissues RU2504328C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012128471/14A RU2504328C1 (en) 2012-07-06 2012-07-06 Device for controlling anisotropy of electric conductivity of biotissues

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012128471/14A RU2504328C1 (en) 2012-07-06 2012-07-06 Device for controlling anisotropy of electric conductivity of biotissues

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012128471A RU2012128471A (en) 2014-01-20
RU2504328C1 true RU2504328C1 (en) 2014-01-20

Family

ID=49944723

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012128471/14A RU2504328C1 (en) 2012-07-06 2012-07-06 Device for controlling anisotropy of electric conductivity of biotissues

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2504328C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108888257A (en) * 2018-04-28 2018-11-27 无锡商业职业技术学院 A kind of wearable health detection equipment of multi-parameter based on shared electrode
RU220315U1 (en) * 2022-07-14 2023-09-07 Олег Игоревич Сазонов Multichannel bioimpedance signal generator-multiplexer

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1547808A1 (en) * 1987-06-29 1990-03-07 Радиотехнический Институт Им.Акад.А.Л.Минца Ан Ссср Method and apparatus for determining active component of impedance of biological tissue
RU2056791C1 (en) * 1992-08-04 1996-03-27 Александр Николаевич Сергиевский Method and device for monitoring specific resistance of biologic tissues
US6336045B1 (en) * 1998-09-11 2002-01-01 Quid Technologies Measurement of electric and/or magnetic properties in organisms using induced currents
RU2196504C2 (en) * 2000-06-28 2003-01-20 Новосибирская государственная медицинская академия Device for measuring active and capacitive components of biological tissue impedance
US6922586B2 (en) * 2002-05-20 2005-07-26 Richard J. Davies Method and system for detecting electrophysiological changes in pre-cancerous and cancerous tissue
US20090171236A1 (en) * 2007-12-11 2009-07-02 Epi-Sci, Llc Electrical bioimpedance analysis as a biomarker of breast density and/or breast cancer risk

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1547808A1 (en) * 1987-06-29 1990-03-07 Радиотехнический Институт Им.Акад.А.Л.Минца Ан Ссср Method and apparatus for determining active component of impedance of biological tissue
RU2056791C1 (en) * 1992-08-04 1996-03-27 Александр Николаевич Сергиевский Method and device for monitoring specific resistance of biologic tissues
US6336045B1 (en) * 1998-09-11 2002-01-01 Quid Technologies Measurement of electric and/or magnetic properties in organisms using induced currents
RU2196504C2 (en) * 2000-06-28 2003-01-20 Новосибирская государственная медицинская академия Device for measuring active and capacitive components of biological tissue impedance
US6922586B2 (en) * 2002-05-20 2005-07-26 Richard J. Davies Method and system for detecting electrophysiological changes in pre-cancerous and cancerous tissue
US20090171236A1 (en) * 2007-12-11 2009-07-02 Epi-Sci, Llc Electrical bioimpedance analysis as a biomarker of breast density and/or breast cancer risk

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108888257A (en) * 2018-04-28 2018-11-27 无锡商业职业技术学院 A kind of wearable health detection equipment of multi-parameter based on shared electrode
CN108888257B (en) * 2018-04-28 2024-03-19 无锡商业职业技术学院 Multi-parameter wearable health detection equipment based on shared electrode
RU220315U1 (en) * 2022-07-14 2023-09-07 Олег Игоревич Сазонов Multichannel bioimpedance signal generator-multiplexer

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012128471A (en) 2014-01-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chabowski et al. Simple wide frequency range impedance meter based on AD5933 integrated circuit
US8845870B2 (en) Digital potentiostat circuit and system
US7701227B2 (en) High precision voltage source for electrical impedance tomography
Gagnon et al. A resistive mesh phantom for assessing the performance of EIT systems
Yang et al. Design and preliminary evaluation of a portable device for the measurement of bioimpedance spectroscopy
JP6714317B2 (en) Probe and its usage
Aroom et al. Bioimpedance analysis: a guide to simple design and implementation
Piasecki et al. Design, calibration and tests of versatile low frequency impedance analyser based on ARM microcontroller
Noveletto et al. Analog front-end for the integrated circuit AD5933 used in electrical bioimpedance measurements
Hahn et al. Systematic errors of EIT systems determined by easily-scalable resistive phantoms
GB2447477A (en) Measuring the dielectric properties of a conductive material
Rajapaksha et al. Development of portable electronic reader for picoampere detection for two-electrode based amperometric biosensor applications
RU2504328C1 (en) Device for controlling anisotropy of electric conductivity of biotissues
Musioł et al. A new sampling-based four-terminal-pair digital impedance bridge
RU2366360C1 (en) Device to measure biological fabric impedance
Sirtoli et al. Design and evaluation of an electrical bioimpedance device based on DIBS for myography during isotonic exercises
CN107320101A (en) A kind of multifrequency electric impedance imaging system
Rajabzadeh et al. A pcb-based 24-ch. mea-eis allowing fast measurement of teer
Liu et al. Design of a microscopic electrical impedance tomography system using two current injections
Yusuf et al. Analysis of single excitation signal for high speed ECVT data acquisition system
RU2319443C2 (en) Device for measuring active and capacitive components of impedance of palate tonsils
Dušek et al. Designing a cost-effective multiplexer for electrical impedance tomography
RU2196504C2 (en) Device for measuring active and capacitive components of biological tissue impedance
CN108685572A (en) Multichannel electrical impedance tomography circuit and system
RU2462185C1 (en) Device for measuring impedance of biological media

Legal Events

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

Effective date: 20140707