Вид РИД
Изобретение
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области измерений для диагностических целей, в частности к устройствам измерения с помощью электрического тока, и может быть использовано в системах мониторинга жизнедеятельности человека.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны различные устройства для измерения электрических параметров участка тела человека.
Так, в патенте KR 2008028651 (публикация 01.04.2008, МПК A61B 5/0424) описана система для измерения импеданса участка тела человека. Система включает два основных электрода, которые подключены к дифференциальным входам усилителя постоянного тока. На входе усилителя подключены фильтры. С выхода усилителя сигнал подается на устройство обработки. Данная система предназначена для измерения только импеданса участка тела, и не предназначена для измерения других электрических параметров участка тела человека, например активного сопротивления кожи человека или разности потенциалов между участками кожи тела человека.
В патенте CN 102579033 (публикация 18.07.2012, МПК A43B 5/0402, A61B 5/053) описана система измерения электрического сопротивления участка тела человека, содержащая электроды, усилители и микропроцессор. Электроды подключены к входу усилителя постоянного тока, выход усилителя через параллельный RC фильтр подключен к входу аналого-цифрового преобразователя микропроцессора. Данная система предназначена для измерения только одного параметра - электрического сопротивления участка тела человека - и не приспособлена для измерения других электрических параметров участка тела человека.
Наиболее близким аналогом является устройство и способ измерения импеданса участка тела человека, описанные в патенте US 8089283 (публикация 03.01.2012, МПК A61B 5/053). Устройство содержит электроды, размещаемые на теле человека, усилитель постоянного тока и микропроцессор. Электроды подключены к входу усилителя, с выхода которого регистрируются сигналы с характеристиками импеданса.
К входам усилителя подключен также ряд фильтров, переключение которых осуществляется микропроцессором. Данная система предназначена для измерения только одного параметра - импеданса - и не приспособлена для измерения других электрических параметров участка тела человека.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание простого устройства, с помощью которого можно измерять различные электрические параметры участка тела человека, в частности, импеданс участка тела человека, активное сопротивление кожи человека и разность потенциалов между участками кожи тела человека.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с настоящим изобретением устройство для измерения электрических параметров участка тела человека включает два токопроводящих электрода, размещаемых на теле человека, операционный усилитель и микроконтроллер. Микроконтроллер выполнен с возможностью работы в трех режимах - в режиме измерения импеданса участка тела человека, в режиме измерения активного сопротивления кожи человека и в режиме измерения разности потенциалов между участками кожи тела человека. Токопроводящие электроды включены в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя, неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к нулевому потенциалу, а выход операционного усилителя подключен к входу аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера. Инвертирующий вход операционного усилителя через резистор подключен к порту ввода-вывода микроконтроллера. В режиме измерения импеданса участка тела человека микроконтроллер на выходе порта ввода-вывода обеспечивает формирование сигнала заданной частоты, на которой измеряют импеданс участка тела человека. В режиме измерения активного сопротивления кожи человека микроконтроллер на выходе порта ввода-вывода обеспечивает формирование сигнала постоянного напряжения. В режиме измерения разности потенциалов между участками кожи тела человека микроконтроллер обеспечивает отключение порта ввода-вывода.
Включение электродов в цепь отрицательной обратной связи (ООС) операционного усилителя позволяет при заданных электрических параметрах на выходе порта ввода-вывода микроконтроллера, к которому через резистор подключен инвертирующий вход операционного усилителя, а также известных для операционных усилителей соотношениях сопротивлений во входной цепи, цепи ООС и токов в этих цепях, определять по значению выходного напряжения операционного усилителя, поступающего на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера, значение импеданса, активного сопротивления участка тела между электродами или разность потенциалов между участками кожи, к которым приложены электроды. Использование микроконтроллера обеспечивает формирование на выходе порта ввода-вывода требуемых электрических параметров, задающих режим измерения.
Таким образом, устройство в соответствии с настоящим изобретением позволяет измерять различные электрические параметры участка тела человека, такие как импеданс, активное сопротивление и даже разность потенциалов между участками кожи. При этом все параметры измеряются при помощи одних и тех же электродов, размещенных на теле человека, и одной простой не перестраиваемой электрической схемы, управление которой также простое и осуществляется через микроконтроллер.
В частности, частота сигнала, формируемого микроконтроллером в режиме измерения импеданса участка тела человека, для проведения измерений в диагностических целях может составлять от 1 кГц до 4 МГц.
Кроме того, устройство может иметь держатель, в котором размещены компоненты электрической схемы устройства, включая токопроводящие электроды, операционный усилитель и микроконтроллер. При этом держатель выполнен с возможностью закрепления вокруг запястья человека так, чтобы электроды примыкали к запястью. Каждый из электродов выполнен секционным с возможностью раздельного подключения секций, причем секции первого и второго электродов расположены попеременно в один ряд на внутренней поверхности держателя.
Такое выполнение устройства позволяет использовать его для измерения указанных электрических параметров тела человека в области запястья. Выполнение электродов секционными и расположение их попеременно в один ряд позволяет повысить устойчивость регистрируемого сигнала и чувствительности устройства. Это связано с увеличением надежности контакта электродов с кожей человека, а также увеличением площади электродов и оптимизацией пути прохождения тока через участок тела между секциями электродов. За счет того, что каждая из секций выполнена с возможностью раздельного подключения (то есть включения в состав соответствующего электрода), может измеряться разность потенциалов между отдельными точками запястья и усредненная разность потенциалов.
Кроме того, число секций каждого электрода может составлять по меньшей мере три, а каждая секция обоих электродов может иметь контактную площадь по меньшей мере 1 см2.
В частном случае держатель может быть выполнен в виде гибкой ленты, закрепляемой на запястье с помощью застежки, например застежки-липучки.
В другом частном случае держатель может быть выполнен в виде браслета, имеющего секции, шарнирно соединенные между собой.
В другом частном случае держатель может быть выполнен в виде обтягиваемой запястье манжеты.
Устройство может быть дополнительно снабжено приемо-передающим устройством для управления микроконтроллером и передачи измеряемых электрических параметров участка тела человека, при этом приемо-передающее устройство размещено в держателе.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение поясняется следующими графическими материалами.
На Фиг.1 показана принципиальная электрическая схема устройства для измерения электрических параметров участка тела человека в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.2 приведена эквивалентная схема участка тела человека в режиме измерения импеданса.
На Фиг.3 приведена эквивалентная схема участка кожи человека в режиме измерения активного сопротивления.
На Фиг.4 приведена эквивалентная схема участка тела человека в режиме измерения разности потенциалов между участками кожи тела человека.
На Фиг.5 приведена эквивалентная схема подключения порта ввода-вывода микроконтроллера в трех режимах измерения.
На Фиг.6 показан в аксонометрии пример выполнения устройства для измерения электрических параметров участка тела человека в соответствии с настоящим изобретением с держателем в виде гибкой ленты с застежкой.
На Фиг.7 схематично показано закрепление устройства на запястье.
На Фиг.8 показано расположение секций токопроводящих электродов на держателе и электрическое соединение секций первого и второго электродов устройства, изображенного на Фиг.6.
На Фиг.9 показан вид указанного на Фиг.8 сечение А-А держателя в области одной из секций электрода.
На Фиг.10 показан другой пример конструкции держателя с полостью для размещения компонентов электрической схемы устройства в соответствии с настоящим изобретением.
На Фиг.11 показана схема электрического соединения секций первого и второго электродов с образованием первого и второго электродов устройства.
На Фиг.12 проиллюстрировано направление электрических токов между секциями электродов устройства в соответствии с изобретением.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройство для измерения электрических параметров участка тела человека (Фиг.1) включает два - первый и второй - токопроводящих электрода 5 и 6 соответственно, размещаемых на теле человека, операционный усилитель 2 и микроконтроллер 1. Электроды 5 и 6 могут быть закреплены в различных местах тела человека с помощью держателя, например, выполненного в виде ленты с застежкой, закрепляемой на запястье, как это показано на Фиг.7.
Электроды 5 и 6 (Фиг.1) включены в цепь ООС операционного усилителя 2 между его инвертирующим входом и выходом. Соответственно, когда электроды закреплены на теле человека и имеют электрический контакт с телом, в цепи ООС операционного усилителя между электродами 5 и 6 оказывается включенным участок 3 тела (или поверхности кожи) человека. Неинвертирующий вход операционного усилителя 2 подключен к нулевому потенциалу. Выход операционного усилителя 2 подключен к порту аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера 1, а инвертирующий вход операционного усилителя 2 через резистор 4 подключен к порту ввода-вывода L микроконтроллера 1.
Микроконтроллер 1 может переключаться по порту ввода-вывода L в один из трех режимов, как это показано на эквивалентной схеме (Фиг.5). Здесь условно подключение порта ввода-вывода L микроконтроллера 1 представлено переключателем 14, имеющим три положения: первое - крайнее левое положение - соответствует режиму измерения импеданса участка тела человека, второе - центральное - соответствует режиму измерения активного сопротивления кожи, а третье - крайнее правое - соответствует режиму измерения разности потенциалов между участками кожи.
В первом режиме - измерения импеданса участка тела человека - порт L микропроцессора 1 переключается на выход, и с выхода порта L подается зондирующий сигнал частоты F в диапазоне от 1 кГц до 4 МГц. На Фиг.5 это соответствует крайнему левому положению переключателя 14. Эквивалентная схема участка 3 тела человека в данном режиме показана на Фиг.2. Она включает активное сопротивление 7 и параллельно включенную цепочку, включающую емкость 9 и сопротивление 8.
Учитывая известные свойства операционных усилителей (бесконечно большое входное сопротивление и соответственно нулевой входной ток и нулевое значение разности потенциалов на входах) и принимая во внимание, что неинвертирующий вход операционного усилителя 2 подключен к нулевому потенциалу, в данном включении переменный ток, протекающий через резистор 4, равен току, протекающему через участок 3 тела человека между электродами 5 и 6. Это равенство может быть записано как:
Uвх/R4=Uвых/Z3
где: Uвx - напряжение зондирующего сигнал частотой F с выхода L микроконтроллера 1;
R4 - сопротивление резистора 4;
Uвых - напряжение на выходе операционного усилителя 2, поступающее на вход АЦП микроконтроллера 1;
Z3 - импеданс участка 3 тела человека.
Поскольку и U4 известны, то, измерив напряжение Uвых на выходе операционного усилителя 2, можно определить значение импеданса участка 3 тела человека:
Z3=R4(Uвых/Uвх).
Во втором режиме - измерения активного сопротивления кожи человека - порт L микроконтроллера 1 переключается на ввод и через резистор 13 (называемый обычно резистором "подтяжки" и имеющийся в микроконтроллере 1) подключается к источнику питания напряжением Е. На Фиг.5 это соответствует центральному положению переключателя 14. Эквивалентная схема участка 3 тела человека в режиме измерения активного сопротивления кожи показана на Фиг.3 и включает сопротивление 10.
Так же, как и в случае измерения импеданса, в данном включении постоянный ток, протекающий через резистор 4 и резистор 13, равен току, протекающему через участок 3 тела человека между электродами 5 и 6. Это равенство может быть записано как:
E/(R4+R13)=Uвых
где: Е - напряжение питания микроконтроллера 1;
R4 - сопротивление резистора 4;
R13 - сопротивление резистора 13;
Uвых - напряжение на выходе операционного усилителя 2, поступающее на вход АЦП микроконтроллера 1;
R3 - активное сопротивление кожи участка тела 3 человека.
Поскольку Е, R4 и R13 известны, то, измерив напряжение Uвых на выходе операционного усилителя 2, можно определить значение активного сопротивления кожи участка 3 тела человека.
В третьем режиме - измерения разности потенциалов между участками кожи человека - порт ввода-вывода L микроконтроллера 1 переключается на ввод и на его выходе обеспечивается высокое сопротивление. На Фиг.5 это соответствует крайнему правому положению переключателя 14. Эквивалентная схема участка 3 тела человека для данного случая показана на Фиг.4 и включает сопротивление 11 и источник напряжения 12.
Поскольку при таком включении ток, протекающий через резистор 4, и, соответственно, ток, протекающий через участка 3 тела человека, равны нулю (напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя 2 также равно нулю), то напряжение Uвых на выходе операционного усилителя 2 будет равно разности потенциалов между электродами 5 и 6, то есть измеряемой разности потенциалов между участками кожи человека.
Таким образом, за счет простого переключения режимов микроконтроллера, без смены электродов и их положения на теле человека, устройство переводится в любой из трех описанных режимов измерения электрических параметров участка тела человека.
Описанное устройство без каких-либо изменений пригодно для измерения как импеданса в широком диапазоне частот, так и для измерения обоих типов кожно-гальванической реакции человека.
На Фиг.6 показан в аксонометрии пример выполнения устройства для измерения электрических параметров участка тела человека в соответствии с настоящим изобретением. Устройство 16 включает держатель 17 с установленными на нем первым электродом 5 и вторым электродом 6 (Фиг.8), которые выполнены в виде отдельных секций 18 и 19 соответственно. В данном примере держатель 17 электродов 5 и 6 выполнен в виде гибкой ленты с застежкой 20 типа застежки-липучки, что позволяет закрепить его плотно вокруг запястья 22, как это показано на Фиг.7. Держатель 17 электродов может быть выполнен из пластмассы и других материалов, обеспечивающих оборачивание держателя вокруг запястья 22. Для специалиста понятно, что держатель электродов может иметь различную конструкцию, например, может быть выполнен в виде браслета, имеющего секции, шарнирно соединенные между собой, или в виде манжеты, плотно надеваемой на запястье (на чертежах эти варианты не показаны).
Электроды 5 и 6, выполненные в виде отдельных секций 18 и 19 соответственно, размещены с внутренней стороны держателя 17, так что при надевании устройства 16 на запястье 22 секции 18 и 19 электродов 5 и 6 примыкают к запястью 22. Секции 18 и 19 обоих электродов 5 и 6 расположены на держателе 17 в ряд попеременно. То есть, за секцией 18 электрода 5 следует секция 19 электрода 6, затем - снова секция 18 электрода 5, следом - секция 19 электрода 6, и т.д. На Фиг.6, Фиг.8, Фиг.10 - Фиг.12 секции 18 электрода 5 обозначены буквой "а", а секции 19 электрода 6 - буквой "b".
Опытным путем установлено, что близкий к оптимальному вариант выполнения устройства 16 содержит по четыре секции каждого электрода 5 и 6. Контактная площадь каждой секции 18 и 19 составляет по меньшей мере 1 см2. Форма секций 18 и 19 электродов 5 и 6 может быть разнообразной, например, прямоугольной, как показано на Фиг.6, или круглой, как показано на Фиг.10. Все секции 18 соединены между собой, как это показано на Фиг.8 и Фиг.11, образуя электрод 5, так же, как и все секции 19 электрически соединены между собой, образуя электрод 6.
В режиме измерения разности потенциалов, между участками кожи тела человека, может производиться коммутация секций 18, 19 электродов 5, 6 с помощью переключателей 26 и 27, как это показано на Фиг.11. Например, разность потенциалов может быть измерена между двумя секциями 18 и 19, для этого с помощью одного переключателя 26 соответствующая секция 18 включается в состав электрода 5 (остальные переключатели 26 разомкнуты), и с помощью одного переключателя 27 соответствующая секция 19 включается в состав электрода 6 (остальные переключатели 27 разомкнуты). В качестве переключателей 26, 27 могут быть использованы перемычки или различные электронные схемы, например на полевых транзисторах. Также может быть измерена усредненная разность потенциалов, когда все переключатели 26 и 27 подключают секции 18 и 19 к соответствующим электродам 5 и 6.
Внутри держателя 17 устанавливаются компоненты электрической схемы устройства 16 в виде гибкой печатной платы 21 (Фиг.9 и Фиг.10), или печатная плата в виде отдельных секций (не показано), соединенных гибкими проводниками. На печатной плате 21 также могут быть размещены элементы электропитания устройства.
Устройство может быть дополнительно снабжено приемо-передающим устройством с антенной для управления микроконтроллером и передачи во внешнее устройство результатов измерения, при этом приемо-передающее устройство также размещено в держателе (на чертежах не показаны).
Благодаря выполнению держателя 17 в виде гибкой ленты и застежки 20 устройство 16 закрепляется вокруг запястья 22, при этом контактные поверхности секций 18 и 19 электродов 5 и 6 плотно прилегают к коже запястья 22. Выполнение электродов 5 и 6 секционными обеспечивает надежный контакт с кожей по меньшей мере двух секций 18 и 19 электродов 5 и 6 при любых движениях руки. Благодаря тому, что электроды выполнены секционными и каждая из секций имеет площадь по меньшей мере 1 см2, суммарная площадь каждого электрода, например в случае, когда он выполнен из четырех секций, составляет по меньшей мере 4 см2, что повышает надежность контакта электродов 5 и 6 с кожей и чувствительность устройства.
Расположение секций 18 и 19 попеременно (Фиг.12) обеспечивает прохождение электрического тока 25 (показан пунктирными стрелками) через мягкие ткани 23 запястья 22, при этом токи от отдельных секций 18 и 19 суммируются. При таком расположении секций 18 и 19 ток не проходит через кости 24 руки, которые обладают большим электрическим сопротивлением, чем кровенасыщенные мягкие ткани 23, что также влияет на чувствительность устройства в сторону ее повышения.
Такое конструктивное выполнение устройства обеспечивает повышение точности измерения в трех описанных режимах. Это происходит за счет повышения надежности контакта электродов с кожей человека, увеличения площади контакта электродов и оптимизации пути прохождения тока между секциями электродов. На основе данного устройства возможно создание систем для непрерывного мониторинга различных параметров жизнедеятельности человека.