Биотехническая система контроля биоимпеданса

Биотехническая система контроля биоимпеданса

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к медицинской технике и предназначено для измерения комплексного электрического сопротивления биотканей и биожидкостей, а также может использоваться в электропунктурной диагностике.

Известно устройство для контроля биоимпеданса, включающее в себя электрод, содержащий корпус с конусообразным токопроводящим наконечником, и насадку со сквозным осевым отверстием, причем насадка может быть закреплена на наконечнике [Авторское свидетельство СССР №680740, кл. A61N 1/04, 1975].

Недостатком известного электрода является то, что он конструктивно выполнен как неподвижная система. Вследствие этого в величину давления электрода на кожу вносится влияние субъективного фактора, определяемого опытом и способностями оператора.

Известно другое устройство, содержащее активный и пассивный электроды, токопроводы указанных электродов, пружину и корпус активного электрода, электронный прибор и корпус электронного прибора, причем активный электрод выполнен в виде подпружиненного стержня, размещенного в осевом канале корпуса из изоляционного материала, токоподвод активного электрода соединен с пружиной, которая в свою очередь соединена со стержнем активного электрода [Авторское свидетельство СССР №1635995, кл. A61H 39/00, 1991].

Основными недостатками известного устройства является большой разброс величины давления активного электрода на кожу пациента, например, при проведении измерений электропроводности кожи или сопротивления кожи электрическому току в точках акупунктуры, а также недостаточная точность и воспроизводимость результатов измерений.

Наиболее близкое по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для электропунктурной диагностики, которое содержит активный и пассивный электроды, их токопроводы, корпус активного электрода, электронный прибор и корпус электронного прибора, активный электрод которого выполнен в виде подпружиненного стержня, причем пружина одним концом электрически соединена со стержнем, а другим - с токопроводом активного электрода. Активный электрод перемещается в осевом канале корпуса, имеющего ограничения перемещения и выполненного из изоляционного материала. В устройство введены также держатель активного электрода, чашка для размещения капиллярного электрода, капиллярный электрод, кольцевой магнит и геркон. Корпус активного электрода выполнен совмещенным с корпусом электронного прибора через влагонепроницаемую стенку, на которой жестко и герметично размещен геркон со своими электрическими выводами, причем пружина концентрически охватывает геркон. Устройство предназначено для электропунктурной диагностики в методах, использующих при обследовании точек акупунктуры измерение электропроводности (токов) или сопротивления кожных покровов электрическому току [Патент на изобретение Российской Федерации №2086176. МПК⁶ A61B 5/05, A61H 39/00, A61N 1/04. Устройство для электропунктурной диагностики. Опубликовано: 10.08.1997].

Основным недостатком известного устройства является отсутствие телекоммуникационной связи, что снижает оперативность и точность биоимпедансных исследований.

Вторым недостатком прототипа является необходимость подключения пассивного электрода, что затрудняет использование этого устройства в режиме самообследования, когда сбором данных занимается пациент без участия оператора. Режим самообследования при биоимпедансных исследованиях позволяет не только вести диагностику без участия врача, но и значительно повысить точность биоимпедансных измерений за счет того, что пациент сам может объективно оценить силу давления электрода на свое тело и тем самым значительно снизить погрешности измерений, связанные с варьированием давления электрода на поверхность кожи.

Третьим недостатком прототипа является отсутствие режима многочастотной биоимпедансометрии, что существенно снижает информативность биоимпедансных исследований.

Технической задачей изобретения является повышение точности и оперативности биоимпедансных исследований, что осуществляется за счет возможности пациента самостоятельно снимать информацию с поверхности кожи и тем самым контролировать силу давления электрода, а также за счет передачи данных биоимпедансных исследований в телекоммуникационные сети в реальном времени.

Поставленная задача решается посредством того, что в биотехническую систему, состоящую из ЭВМ и мобильного блока, последний дополнительно снабжен беспроводным интерфейсом, осуществляющим через радиоканал связь мобильного блока с ЭВМ. Мобильный блок содержит активный и пассивный электроды и их токоподводы, электронный модуль, беспроводный интерфейс и аккумуляторный блок питания, при этом корпус мобильного блока выполнен в виде полого цилиндра, закрытого с одной стороны конусообразным колпачком, а с другой стороны - цилиндрической крышкой, внутри которого расположены мембрана, закрепленная перпендикулярно продольной оси цилиндрического корпуса, в центре которой закреплен один из концов стержня активного электрода, при этом другой его конец установлен в осевое отверстие конусообразного колпачка, и электронный модуль. На наружной поверхности корпуса установлены пассивный электрод, выполненный в виде токопроводящего кольца, кнопка, беспроводный интерфейс и аккумуляторный блок питания, общий провод которого подключен к пассивному электроду и первому выводу кнопки.

Электронный модуль мобильного блока, содержащий усилитель, подключенный к активному электроду, последовательно соединенные резистор, первый вывод которого подключен к активному электроду, второй усилитель, микроконтроллер, второй аналоговый вход которого соединен с выходом первого усилителя, второй его цифровой порт соединен со вторым выводом кнопки, а третий цифровой порт - с беспроводным интерфейсом, цифроаналоговый преобразователь и третий усилитель, выход которого подключен ко второму выводу резистора.

На фиг. 1 изображена структурная схема биотехнической системы.

На фиг. 2 представлен чертеж мобильного блока биотехнической системы.

На фиг. 3 показана схема алгоритма локальной программы (в качестве примера выбрана локальная программа А).

На фиг. 4 показана схема расположения биоактивных точек на меридиане желудка, используемая глобальной программой диагностики риска желудочно-кишечных заболеваний для организации диалога с пациентом.

На фиг.5 показана схема алгоритма работы глобальной программы диагностики риска заболеваний желудочно-кишечного тракта.

Биотехническая система (фиг. 1) включает мобильный модуль 1 и ЭВМ 2, соединенные посредством радиоканала.

Мобильный модуль (фиг. 2) стоит из корпуса 3, выполненного в виде полого цилиндра, закрытого с одной стороны конусообразным колпачком 4, а с другой - крышкой 5. Внутри корпуса располагаются активный электрод 6, мембрана 7, позволяющая совместно с конусообразным колпачком 4 активному электроду 6 перемещаться в продольном направлении, и электронный модуль 8. На поверхности корпуса 3 размещены кнопка 9, пассивный электрод 10, выполненный в виде металлизированного кольца, беспроводный интерфейс 11 и блок питания 12, выводы которого подключены к соответствующим входам питания микросхем электронного блока и беспроводного интерфейса, а общий провод, кроме того, подключен к пассивному электроду 10 и первому выводу кнопки 9.

Электронный модуль (фиг.1) содержит последовательно соединенные резистор 13, первый вывод которого подключен к активному электроду 6, усилитель 14, микроконтроллер 15, второй цифровой порт которого соединен со вторым выводом кнопки 9, а третий цифровой порт - с беспроводным интерфейсом 11, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 16 и усилитель 17, выход которого подключен ко второму выводу резистора 13, усилитель 18, вход которого соединен с активным электродом 6, а выход - со вторым аналоговым входом микроконтроллера 15.

Устройство работает следующим образом.

Для работы устройство в ЭВМ 2 должна быть загружена программа глобального исследования. Программа глобального исследования подбирает (предлагает) врача-специалиста из библиотеки стандартных программ глобальных исследований или свою авторскую программу. Посредством ЭВМ 2 через беспроводный интерфейс 11 в микроконтроллер 15 осуществляется загрузка локальной программы биоимпедансных исследований. Локальная программа устанавливает протокол воздействия на биообъект зондирующим током, а также определяет формат данных для передачи их в ЭВМ 2. После того как завершена загрузка локальной программы дальнейшее управление процессом исследования осуществляется под управлением глобальной программы, которая реализует взаимодействие между пациентом и ЭВМ 2 через монитор или звуковую карту и динамики, входящие в комплект ЭВМ 2.

После того как на экране монитора появилась команда «начало исследования», пациент берет мобильный блок 1 в правую руку таким образом, чтобы подушечки большого, указательного и среднего пальцев правой руки легли на кольцо электрода 10, и нажатием указательным пальцем правой руки кнопки 9 подтверждает ЭВМ 2 свою готовность к проведению исследований. При получении ЭВМ 2 сигнала готовности, она выдает на монитор координаты анатомической области, в которую необходимо установить активный электрод 6. При необходимости (в зависимости от реализации глобальной программы исследования) на экране монитора может появиться топологическая картина, позволяющая пациенту ориентироваться в анатомических особенностях дислокации заданной координаты поверхности тела. После выполнения этой команды пациент нажимает кнопку 9 подтверждения выполнения команды, и ЭВМ 2 через беспроводный интерфейс 11 приступает к обмену информацией с микроконтроллером 15, осуществляющим выполнение локальной программы, соответствующей команде пациенту, заданной глобальной программой.

В задачу локальной программы входит установка зондирующего тока в биообъекте и считывание отсчетов напряжения на входе и на выходе делителя, образованного токовым резистором 13 и биообъектом, включенным в делитель через электроды 6 и 10.

Установка зондирующего тока выполняется микроконтроллером 15 посредством выдачи на вход ЦАП 16 кодов отсчетов напряжения зондирования. После усиления усилителем 17 это напряжение поступает на вход масштабирующего усилителя 14 и второй вывод резистора 13. С первого вывода резистора 13 зондирующее напряжение поступает на активный электрод 6 и на вход масштабирующего усилителя 18.

Напряжения с выходов усилителей 14 и 18 поступают на соответствующие входы АЦП микроконтроллера 15. Напряжения с этих выходов дискретизируются с частотой дискретизации, задаваемой локальной программой, и обрабатываются согласно алгоритмам, реализуемым локальной программой.

После завершения отработки локальной программой команды, заданной глобальной программой, микроконтроллер 15 через беспроводный интерфейс 11 передает сообщение об этом ЭВМ 2, которая выходит на диалог с пациентом и передает ему очередную команду.

На фиг.3 представлен алгоритм выполнения локальной программы. Локальная программа выполняет, как правило, одну и ту же процедуру столько раз, сколько этого «попросит» глобальная программа. Выполняемая процедура осуществляет измерение биоимпеденса в точке на поверхности кожи, заданной глобальной программой.

Загрузка локальной программы А в программную память микроконтроллера 15 осуществляется в блоке 19. После выполнения загрузки осуществляется запуск программы А, выполнение которой начинается с ожидания команды начала биоимпедансных измерений от ЭВМ 2. Характер биоимпедансных измерений зависит от программы А, в частности это могут быть довольно сложные биоимпедансные исследования, направленные на изучение дисперсионных свойств биоткани. Схема алгоритма, представленная на фиг.3, иллюстрирует биоимпедансные исследования, заключающиеся в определении действительной и мнимой составляющей биоимпеданса в выбранной точке на поверхности тела на фиксированной частоте и амплитуде зондирующего тока, которая задается локальной программой А.

В блоке 19 осуществляется вычисление отсчетов синусоиды на периоде зондирующего тока. В программе А предусмотрено вычисление 100 отсчетов, которые записываются в память данных микроконтроллера 15. После вычисления отсчетов синусоиды зондирующего тока осуществляется установка таймера для цифроаналогового преобразователя 16. Таймер осуществляет управление вывода из регистров микроконтроллера 15 отсчетов синусоиды зондирующего тока на вход цифроаналогового преобразователя 16.

В блоке 20 локальная программа ожидает команды от ЭВМ 2, подтверждающей, что глобальная программа подала команду пациенту на установку активного электрода 6 на заданную анатомическую точку на поверхности его тела.

В блоке 21 локальная программа А ожидает нажатие пациентом кнопки 9, подтверждающее, что пациент выполнил предписание глобальной программы по установке активного электрода 6 в заданную анатомическую область.

Блоком 28 задается цикл измерения биоимпеданса в заданной анатомической области. Измерения осуществляются в течение десяти циклов частоты зондирующего тока. Процесс измерения построен таким образом, что после пяти циклов вывода отсчетов зондирующего напряжения на цифроаналоговый преобразователь 16 выполняется один цикл ввода отсчетов выходных напряжений в микроконтроллер 15. В итоге за один период зондирующего тока выполняется двадцать циклов считывания отсчетов выходного напряжения на электроде 6. Отсчеты зондирующего напряжения u_k формируются в блоке 26. Управление последовательностью этих отсчетов осуществляет таймер 25, который и задает частоту зондирующего напряжения. После пяти циклов вывода отсчетов зондирующего напряжения на цифроаналоговый преобразователь 16 осуществляется считывание информации с выходов усилителей 14 и 18 (блок 27). Таким образом, формируется два массива по 200 отсчетов напряжений u 1 ℓ и u 2 ℓ , где ℓ = 1,200 ¯ .

В блоках 28…34 вычисляются амплитуды действительной URE и мнимой UIM составляющих напряжения на электроде 6:

U R E = 1 180 ∑ ℓ = 21 200 u 2 ℓ ⋅ u 1 ℓ ;

U I M = 1 180 ∑ ℓ = 21 200 u 2 ℓ ⋅ u 1 ℓ − 5 .

В качестве опорного напряжения используются отсчеты u 1 ℓ напряжения на выходе усилителя 14. В качестве квадратурной составляющей опорного напряжения используют смещенные на пять отсчетов (четверть периода) отсчеты u 1 ℓ опорного напряжения, снимаемого с выхода усилителя 14. Отсчеты первого периода не используются при вычислении, то есть при вычислении используются 180 последних отсчетов напряжений u 2 ℓ на выходе усилителя 18.

Активное ZRE и реактивное ZIM сопротивления биообъекта определяются в блоке 36. В блоке 35 определяется средний ток IR1 через резистор R1 (использовался номинал 20 кОм):

I R 1 = 1 180 ⋅ R 1 ∑ ℓ = 21 200 ( u 1 ℓ − u 2 ℓ ) .

Активное сопротивление биообъекта вычисляется как

Z R E = U R E I R 1 ,

Z I M = U I M I R 1 .

После вычисления действительной и мнимой составляющих биоимпеданса микроконтроллер 15 через беспроводный интерфейс 11 осуществляет ввод их значений в ЭВМ 2 (блок 37) и подтверждает это событие сообщением «команда выполнена» (блок 38). После этого проверяется условие завершения выполнений программ А (блок 39). Если все измерения, предусмотренные программой А, выполнены, то микроконтроллер 15 выходит на завершение выполнения программы А. В противном случае осуществляется переход на блок 20, предусматривающий диалог с ЭВМ 2.

Работу глобальной программы проиллюстрируем на задаче прогнозирования заболеваний желудочно-кишечного тракта [Кореневский Н.А., Крупчатников Р.А., Серегин С.П. Теоретические основы биофизики акупунктуры с приложением в биологии, медицине и экологии на основе нечетких моделей. Курск: ОАО «ИПП «Курск», 2010. 521 с.].

Прогнозирование этих заболеваний ведем на основе анализа активного сопротивления в четырех биоактивных точках: Е19, Е21, Е25 и Е36.

Схема расположение выбранных для прогнозирования заболеваний желудка точек приведена на фиг. 4.

Для принятия решения используется процедура анализа коэффициента уверенности К У ω R в риске заболеваний данного класса, которая представлена следующим решающим правилом продукционного типа:

ЕСЛИ К У ω R >0,65, ТО «Высокий риск»,

ИНАЧЕ

ЕСЛИ К У ω R >0,35, ТО «Средний риск»,

ИНАЧЕ «Нет риска». (1)

Коэффициент уверенности К У ω R определяется также согласно продукционному правилу:

ЕСЛИ { [ ( R E 19 > 200 кОм) И ( R E 21 > 200 кОм) И ( R E 25 > 200 кОм) ]

ИЛИ [ ( R E 19 < 80 кОм) И ( R E 21 < 80 кОм) И ( R E 25 < 80 кОм) ] }, ТО

{ К У ω R = ∑ k К У ¯ ¯ k ω R }

ИНАЧЕ К У ω R =0. (2)

Величина ∑ k К У ¯ ¯ k ω R определяется путем нечеткой операции алгебраического сложения частных коэффициентов уверенности К У ¯ ¯ k ω R : ∑ k К У ¯ ¯ k ω R = К У ω R ( k − 1 ) + К У ¯ ¯ k ω R ( 1 − К У ω R ( k − 1 ) ) , (3)

К У ω R ( k ) = ∑ i = 1 k К У ¯ ¯ i ω R ; k = 1,4 ¯ ;

К У ω К ( 1 ) = К У ¯ ¯ 1 ω R ,

К У ω К ( k ) = 0   п р и   k < 1   .

Частные коэффициенты уверенности определяются для каждой биологически активной точки в зависимости от значения активного сопротивления в ней по таблице 1. Сопротивления в биологически активных точках обозначены R E 19 ,   R E 21 ,   R E 25 ,   R E 36   .

Таблица 1

Частные коэффициенты уверенности для прогнозирования заболеваний желудка

Класс	БАТ	Диапазоны сопротивлений, кОм
>500	400...500	300...399	200...299	100...199	90...99	80...89	70...79	60...69	50...59	<50
ω	Е19	0,6	0,5	0,35	0,2	0	0	0,2	0,3	0,45	0,55	0,6
Е21	0,65	0,6	0,5	0,25	0	0	0,2	0,35	0,5	0,6	0,65
Е25	0,65	0,6	0,5	0,25	0	0	0,25	0,5	0,6	0,65	0,7
Е36	0,7	0,6	0,45	0,2	0	0	0,25	0,5	0,65	0,8	0,9

Алгоритм принятия решения согласно этой глобальной программе представлен на фиг.5.

В блоке 41 осуществляется загрузка локальной программы в микроконтроллер 15. Блоки 41 и 42 осуществляют диалог с пациентом при измерении в первой точке Е19. В блоке 44 происходит передача данных по первой точке от мобильного блока 1 в ЭВМ 2. Блоки 45…53 выполняют аналогичные процедуры для остальных трех точек Е21, Е25 и Е36.

В блоке 53 осуществляется определение частных коэффициентов уверенности согласно табл.1, а в блоке 55 вычисляется общий коэффициент уверенности согласно рекуррентной формуле (3).

Окончательное значение коэффициента уверенности определяется согласно продукции (2) в блоке 56, а окончательный диагноз ставится согласно продукции (1) в блоке 57.

Таким образом, используя мобильный блок биотехнической системы контроля биоимпеданса, пациент имеет возможность самостоятельно снять диагностическую информацию с поверхности кожи и посредством использования телекоммуникационных каналов оперативно получить информацию о группе предполагаемых диагнозов с соответствующими коэффициентами риска.

1. Биотехническая система контроля биоимпеданса, состоящая из ЭВМ и мобильного блока, содержащего активный и пассивный электроды и их токоподводы, электронный модуль, аккумуляторный блок питания и беспроводный интерфейс, подключенный к выходу электронного модуля и осуществляющий через радиоканал связь мобильного блока с ЭВМ, отличающаяся тем, что корпус мобильного блока выполнен в виде полого цилиндра, закрытого с одной стороны конусообразным колпачком, а с другой стороны - цилиндрической крышкой, внутри которого расположены мембрана, закрепленная перпендикулярно продольной оси цилиндрического корпуса, в центре которой закреплен один из концов стержня активного электрода, при этом другой его конец установлен в осевое отверстие конусообразного колпачка, и электронный модуль; а на наружной поверхности корпуса установлены пассивный электрод, выполненный в виде токопроводящего кольца, кнопка, беспроводный интерфейс и аккумуляторный блок питания, общий провод которого подключен к пассивному электроду и первому выводу кнопки.

2. Биотехническая система по п. 1, отличающаяся тем, что электронный модуль мобильного блока содержит первый усилитель, подключенный к активному электроду, последовательно соединенные резистор, первый вывод которого подключен к активному электроду, второй усилитель, микроконтроллер, второй аналоговый вход которого соединен с выходом первого усилителя, второй его цифровой порт соединен со вторым выводом кнопки, а третий цифровой порт - с беспроводным интерфейсом, цифроаналоговый преобразователь и третий усилитель, выход которого подключен ко второму выводу резистора.