RU2726401C1 - Способ измерения переходной емкости - Google Patents
Способ измерения переходной емкости Download PDFInfo
- Publication number
- RU2726401C1 RU2726401C1 RU2020110255A RU2020110255A RU2726401C1 RU 2726401 C1 RU2726401 C1 RU 2726401C1 RU 2020110255 A RU2020110255 A RU 2020110255A RU 2020110255 A RU2020110255 A RU 2020110255A RU 2726401 C1 RU2726401 C1 RU 2726401C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrodes
- circuit
- measuring
- capacitance
- electrode
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves
- A61B5/053—Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Surgery (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области медицинской диагностики, точнее, к измерению электрической проводимости или сопротивления части тела. Способ измерения переходной емкости между электродами и кожей человека при использовании двух электродов, установленных на коже, включает следующие действия. Подключают к измерительному электроду индуктивность известного номинала, тем самым создают цепь, состоящую из последовательно соединённых индуктивности, измерительного электрода, электрода заземления и участка кожной ткани между двумя электродами. Подают сигнал возбуждения на вход созданной цепи. На измерительном электроде измеряют параметры сигнала-отклика цепи. После чего определяют значение указанной переходной емкости. Способ обеспечивает повышение точности определения значения переходной емкости между электродами и кожей человека, которое можно использовать для корректировки результатов биоимпедансных измерений. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области медицинской диагностики, точнее, к измерению электрической проводимости или сопротивления части тела.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
При исследовании электрического импеданса (далее - импеданса) живых организмов актуальной является задача отделения импеданса исследуемых тканей от составляющей, связанной с переходным импедансом «электроды-исследуемая ткань», имеющим, в основном, емкостной характер (далее -переходная емкость) и на низких частотах вносящим недопустимо большое влияние на результат измерений.
Традиционно для компенсации переходной емкости используется четырех-электродная или тетраполярная схема измерения, в которой зондирующий сигнал от источника тока подается на одну пару электродов, называемых токовыми или инжекторными, а возникающее под действием этого тока напряжение на исследуемом участке ткани снимается другой парой расположенных, как правило, между первыми двумя электродами, называемых измерительными или потенциальными.
Известен также двухэлектродный способ определения электрического сопротивления биологической ткани, позволяющий компенсировать электродные сопротивления при помощи электродов с изменяемой площадью при сохранении их габаритов.
Однако, использование указанных способов в малогабаритных и носимых устройствах затруднено из-за необходимости экономии энергии и упрощения конструкции как электрических компонентов, так и электродов.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является предлагаемый в заявке ЕР 3160338, публикация 07.03.2018, МПК А61В 5/00 емкостной измеритель для носимых устройств. Принцип измерения переходной емкости заключается в определении частоты колебаний релаксационного генератора, в электрическую цепь которого включен исследуемый участок тела. Как известно, частота его автоколебаний определяется постоянной времени входящей в его состав RC-цепочки. Так на RC-цепочку, соединенную параллельно пороговому устройству с гистерезисом, подается постоянное напряжение, заряжающее емкостной компонент цепочки через ее резистивный компонент. По достижении на цепочке верхнего напряжения переключения за время, как было сказано выше, определяемое постоянной времени RC-цепочки, проводимость порогового устройства возрастает лавинообразно, в результате чего емкостной компонент цепочки быстро разряжается. Когда напряжение на емкостном компоненте падает до некоторого нижнего порога, пороговое устройство прекращает проводить ток, и емкостной компонент начинает заряжаться вновь, и далее цикл повторяется. Если частью RC-цепочки является указанный участок тела, то, зная параметры части цепочки, являющиеся составной частью электрической схемы прибора, можно определить измеряемую переходную емкость. Как видно из описания, пассивные и активные нелинейные элементы релаксационного генератора не обладают резонансными свойствами.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническим результатом заявляемого изобретения является (повышение точности определения значения переходной емкости[AS1] между электродами и кожей человека при использовании двух электродов, установленных на его коже, которое можно использовать для корректировки результатов биоимпедансных измерений тканей между электродами.
Способ измерения переходной емкости между электродами и кожей человека при использовании двух электродов, установленных на коже, включает следующие действия. Подключают измерительному электроду индуктивность известного номинала, тем самым создают цепь, состоящую из последовательно соединенных индуктивности, измерительного электрода, электрода заземления и участка кожной ткани между двумя электродами. Подают сигнал возбуждения на вход созданной цепи. На измерительном электроде измеряют параметры сигнала-отклика цепи. После чего определяют значение указанной переходной емкости.
Сущность изобретения заключается в измерении переходной емкости с помощью организации резонанса в цепи, включающей в себя последовательно соединенные нагрузку (исследуемый участок ткани, хорошо описываемый известной моделью Коула-Коула, в сочетании с переходной емкостью между электродами и кожей человека) и подключаемой индуктивностью известного номинала. Такой способ дает возможность достаточно точно измерить переходную емкость, что в свою очередь позволяет корректировать результаты биоимпедансных измерений тканей между электродами. Таким образом, способ измерения переходной емкости является существенной составной частью биоимпедансных измерений. Следует также заметить, что данный способ может применяться и самостоятельно, только для измерения переходной емкости.
Предлагаемый способ позволяет использовать простую схему для измерения переходной емкости, при этом резонансный метод позволяет достичь хорошей точности измерения переходной емкости за сравнительно небольшое время. Это позволяет прерывать биоимпедансные измерения на сравнительно короткий временной промежуток.
В частности, в качестве сигнала возбуждения используют ступенчатое напряжение.
Кроме того, в качестве сигнала возбуждения можно использовать синусоидальное напряжение изменяемой частоты.
В частности, на основе измеренных параметров сигнала-отклика определяют резонансную частоту упомянутой цепи.
Помимо этого, упомянутые электроды установлены на носимом устройстве.
В частном случае измерение переходной емкости производят периодически между биоимпедансными измерениями.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 приведена блок-схема устройства! обеспечивающего выполнение способа.
На Фиг. 2 приведена упрощенная схема измерения переходной емкости.
На Фиг. 3 приведен пример расположения электродов на носимом устройстве.
На Фиг. 4 приведена блок схема выполнения операций по одному варианту выполнения способа определения переходной емкости.
На Фиг. 5 приведена блок схема выполнения операций по другому варианту выполнения способа определения переходной емкости.
На Фиг. 6 приведена временная диаграмма, показывающая включение режима измерения переходной емкости между режимами измерения биоимпеданса.
На Фиг. 7 приведен пример резонансной кривой, являющейся измеренным сигналом-откликом исследуемой цепи.
На Фиг. 8 приведен пример модуля спектра резонансной кривой.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ измерения переходной емкости между электродами и кожей человека при использовании двух электродов, установленных на коже, может быть реализован на следующем носимом устройстве. Он может быть применен и в стационарном варианте, содержащем электроды, устанавливаемые на коже пациента лечебного учреждения.
Носимый прибор 1 (Фиг. 3) содержит два электрода, измерительный электрод 2 и электрод 3 заземления[AS2], для проведения биоимпедансных измерений. Измерительное устройство содержит микропроцессорное устройство 4, установленное в корпусе носимого устройства 1. Микропроцессорное устройство предполагает наличие управляющего модуля 5, регулирующего работу микропроцессора, как в процессе измерения переходной емкости, так и в процессе проведения биоимпедансных измерений. Для генерации сигнала возбуждения предназначен блок 6 сигнала возбуждения микропроцессора 4. Выход микропроцессора (а) с блока 6 сигнала возбуждения подключен к индуктивности L 11, которая далее подключена к коммутатору 10 микропроцессора 4. В схеме предусмотрен и блок измерительных сигналов 8, который вырабатывает сигналы для проведения биоимпедансных измерений, выход которого также подключен к коммутатору 10.
Переключение коммутатора 10 с режима измерения биоимпеданса на режим измерения переходной емкости и обратно обеспечивает управляющий модуль 5. Выход коммутатора 10 подключен к измерительному электроду 2. К этому же электроду подключен вход аналого-цифрового преобразователя 9, выход которого подключен к входу вычислительного модуля 7 микропроцессора 4. Электрод 3 также подключен к общей шине носимого устройства 1. Вычислительный модуль 7 также работает под управлением управляющего модуля 5 микропроцессора 4.
Способ измерения переходной емкости между электродами и кожей человека при использовании двух электродов, установленных на коже, осуществляется следующим образом (блок схемы на Фиг. 4 и Фиг. 5).
Подключают к измерительному электроду 2 индуктивность L известного номинала, тем самым создают цепь, состоящую из последовательно соединенных индуктивности 11, измерительного электрода 2, электрода заземления 3 и участка 12 кожной ткани между двумя электродами 2 и 3 (Фиг. 1, Фиг. 2). По команде управляющего модуля 5 в блоке 6 сигнала возбуждения генерируется сигнал, который подается на выход «а» микропроцессора, то есть на индуктивность 11 и далее на электрод 2.
Рассмотрим первый вариант воплощения способа.
В качестве сигнала возбуждения на цепь, состоящую из индуктивности 11 L, электрода 2, нагрузки Z (участка кожной ткани) и электрода 3, ступенчатое напряжение. Это приводит к формированию переходного процесса в виде затухающих периодических колебаний, которые фиксируются аналогово-цифровым преобразователем 9, вход которого подсоединен к электроду 2.
Вид колебаний (сигнала-отклика цепи), полученных опытным путем, показаны на Фиг. 7 в виде кривой 15. На графике по оси абсцисс отложено время в микросекундах, по оси ординат - напряжение в отсчетах АЦП.
В вычислительном модуле 7 микропроцессора 4 на основе сигнала-отклика цепи определяют резонансную частоту измерительной цепи.
Частота колебаний определяется, в основном, индуктивностью катушки 11 L и емкостью Ср, входящей в нагрузку, и в меньшей степени - активной составляющей полного импеданса измерительного тракта Rfull.
Формула определения частоты ω резонансных колебаний в цепи с затуханием:
где:
ω0 - резонансная частота при отсутствии потерь в контуре,
Добротность контура:
Из этих уравнений получены формулы для переходной емкости и активной составляющей полного импеданса измерительного тракта:
Таким образом, из резонансной характеристики необходимо определить значения коэффициента затухания δ и резонансную частоту ω. Это реализуется на основе сигнала-отклика цепи из максимумов и минимумов резонансной кривой 15 (см. Фиг. 7) по периоду и декременту затухания колебаний.
При необходимости, резонансную частоту цепи можно уточнить, определив декремент затухания δ указанных автоколебаний по формуле:
Зная величину резонансной частоты ω0 или ее оценку ω, можно вычислить величину переходной емкости Ср по формуле:
Частота колебаний может быть получена и с помощью преобразования Фурье, определив частоту максимума квадрата модуля спектра сигнала (см. Фиг. 7, где по оси абсцисс отложена циклическая частота (крад/сек), по оси ординат - квадрат модуля спектра). Декремент затухании δ указанных автоколебаний может быть определен на полувысоте спектра сигнала (Фиг. 7).
Кратко способ по первому варианту содержит следующие операции (Фиг. 4):
- подают ступенчатое напряжение на измерительную цепь 101,
- записывают сигнал-отклик измерительной цепи 102,
- определяют резонансную частоту и декремент затухания 103,
- определяют переходную емкость 104.
Второй вариант воплощения способа заключается в следующем (Фиг. 5).
В качестве сигнала возбуждения с блока 6 сигнала возбуждения используют синусоидальное напряжение изменяемой частоты. Подают синусоидальное напряжение на измерительную цепь. В этом случае определение резонансной частоты ω производят по максимуму амплитуды сигнала-отклика цепи. И далее величину переходной емкости Ср получают с помощью выражения (5). Следует отметить, что второй вариант воплощения способа требует большего времени для реализации.
Кратко способ по второму варианту содержит следующие операции (Фиг. 5):
- подают синусоидальное напряжение изменяемой частоты на измерительную цепь 201,
- определяют резонансную частоту по сигналу-отклику измерительной цепи 202,
- определяют переходную емкость 203.
Полученные значения Ср могут быть использованы как самостоятельный результат, так и в качестве данных для корректировки результатов биоимпедансных измерений тканей между электродами. На Фиг. 6 показан временной период Т определения переходной емкости, межу циклическими биоимпедансными измерениями, который может составлять единицы миллисекунд. Дополнительным результатом измерения переходной емкости может быть определение случаев, когда контакт между кожей и электродами теряется. Эти данные используются для исключение неверных результатов вычисления характеристик биоимпедансных измерений, а также для сообщения пользователю носимого устройства о неполадках.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Способ измерения переходной емкости между электродами и кожей человека является важной составляющей биоимпедансных измерений, позволяющий получать более достоверные данные о состоянии организма человека и других млекопитающих. Способ особенно применим для носимых устройств, которые должны иметь малые габариты и вес.
Claims (10)
1. Способ измерения переходной емкости между электродами и кожей человека при использовании двух электродов, установленных на коже, включающий следующие действия:
- подключают к измерительному электроду индуктивность известного номинала, тем самым создают цепь, состоящую из последовательно соединённых индуктивности, измерительного электрода, электрода заземления и участка кожной ткани между двумя электродами;
- подают сигнал возбуждения на вход созданной цепи,
- на измерительном электроде измеряют параметры сигнала-отклика цепи,
- после чего определяют значение указанной переходной емкости.
2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве сигнала возбуждения используют ступенчатое напряжение.
3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве сигнала возбуждения используют синусоидальное напряжение изменяемой частоты.
4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что на основе измеренных параметров сигнала-отклика определяют резонансную частоту упомянутой цепи.
5. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что упомянутые электроды установлены на носимом устройстве.
6. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что измерение переходной емкости производят периодически между биоимпедансными измерениями.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020110255A RU2726401C1 (ru) | 2020-03-11 | 2020-03-11 | Способ измерения переходной емкости |
| PCT/RU2021/050031 WO2021183005A1 (ru) | 2020-03-11 | 2021-02-12 | Способ измерения переходной емкости |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020110255A RU2726401C1 (ru) | 2020-03-11 | 2020-03-11 | Способ измерения переходной емкости |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2726401C1 true RU2726401C1 (ru) | 2020-07-13 |
Family
ID=71616382
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020110255A RU2726401C1 (ru) | 2020-03-11 | 2020-03-11 | Способ измерения переходной емкости |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2726401C1 (ru) |
| WO (1) | WO2021183005A1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3870034A (en) * | 1973-03-26 | 1975-03-11 | Cyborg Corp | Personal galvanic skin response monitoring instrument |
| US20130053661A1 (en) * | 2011-08-31 | 2013-02-28 | Motorola Mobility, Inc. | System for enabling reliable skin contract of an electrical wearable device |
| RU2479252C2 (ru) * | 2007-06-22 | 2013-04-20 | Си Эм Ти И ДИВЕЛОПМЕНТ ЛИМИТЕД | Способ и устройство для измерения электрического потенциала на коже головы |
| EP3160338A4 (en) * | 2014-08-06 | 2018-03-07 | Verily Life Sciences LLC | Sharing a single electrode between skin resistance and capacitance measurements |
-
2020
- 2020-03-11 RU RU2020110255A patent/RU2726401C1/ru active
-
2021
- 2021-02-12 WO PCT/RU2021/050031 patent/WO2021183005A1/ru active Application Filing
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3870034A (en) * | 1973-03-26 | 1975-03-11 | Cyborg Corp | Personal galvanic skin response monitoring instrument |
| RU2479252C2 (ru) * | 2007-06-22 | 2013-04-20 | Си Эм Ти И ДИВЕЛОПМЕНТ ЛИМИТЕД | Способ и устройство для измерения электрического потенциала на коже головы |
| US20130053661A1 (en) * | 2011-08-31 | 2013-02-28 | Motorola Mobility, Inc. | System for enabling reliable skin contract of an electrical wearable device |
| EP3160338A4 (en) * | 2014-08-06 | 2018-03-07 | Verily Life Sciences LLC | Sharing a single electrode between skin resistance and capacitance measurements |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2021183005A1 (ru) | 2021-09-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6231520B1 (en) | Tactile sensor signal processing device capable of obtaining detailed living body information in short time | |
| EP2305113B1 (en) | Biometric measurement apparatus | |
| US8798761B2 (en) | Systems and methods of monitoring the acoustic coupling of medical devices | |
| US6339722B1 (en) | Apparatus for the in-vivo non-invasive measurement of a biological parameter concerning a bodily fluid of a person or animal | |
| Sherrick Jr | Variables affecting sensitivity of the human skin to mechanical vibration. | |
| JP4532502B2 (ja) | 生きている組織の特性を測定するための装置 | |
| US20130102920A1 (en) | System and circuit for distribution of precise currents to numerous patient electrodes and for non-invasive patient-electrode voltage measurements | |
| RU2726401C1 (ru) | Способ измерения переходной емкости | |
| Noveletto et al. | Analog front-end for the integrated circuit AD5933 used in electrical bioimpedance measurements | |
| Aliau-Bonet et al. | On the effect of body capacitance to ground in tetrapolar bioimpedance measurements | |
| Critcher et al. | Multi-site impedance measurement system based on MAX30001 integrated-circuit | |
| Le Guyader et al. | Extracellular measurement of anisotropic bidomain myocardial conductivities. I. Theoretical analysis | |
| Santhosh et al. | Impact of electrodes separation distance on bio-impedance diagnosis | |
| CN207654176U (zh) | 一种用于测量唾液阻抗的交流方波信号发生器 | |
| Gupta et al. | Bioelectrical impedance: a future health care technology | |
| RU2145186C1 (ru) | Способ карасева а.а. измерения электропроводимости ткани биологического объекта | |
| Dhar et al. | Non-invasive bio-impedance measurement using voltage-current pulse technique | |
| RU2664633C2 (ru) | Устройство для измерения электрического импеданса в частях тела | |
| Nouri et al. | Stability analysis for Howland current source for bioimpedance measurement | |
| RU2295912C2 (ru) | Способ электромагнитно-резонансной импедансометрии живых тканей биологического объекта и устройство для его осуществления | |
| Pawar | Assessment of human arm bioelectrical impedance using microcontroller based system | |
| RU2586457C1 (ru) | Способ определения составляющих импеданса биообъекта | |
| SU1759402A1 (ru) | Устройство дл измерени активной и реактивной составл ющих импеданса биологических тканей | |
| CN102955080A (zh) | 用于测量电学参数的便携式测量仪及其测量方法 | |
| WO2016152714A1 (ja) | 静電容量型脈波計測装置 |