УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА В ЧАСТЯХ ТЕЛА

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к диагностическим устройствам, измеряющим импеданс в заданных частях тела, путем дистанционного сканирования их зондирующим током, и может использоваться для неинвазивного определения объемов жидкости тела.

Диагностическая информация при измерении электрического импеданса частей тела получается в результате анализа параметров переменного зондирующего тока при его объемном прохождении через ткани организма. Для измерения с высокой точностью электрического импеданса участка тела используется тетраполярный метод, в котором зондирующий ток (I₃) пропускается через токовые электроды, а падение напряжения на исследуемом участке тела измеряется посредством потенциальных электродов.

Диагностические устройства, использующие переменный ток в качестве зондирующего сигнала, являются наиболее неинвазивными среди современных технических средств, отображающих количества жидкости в организме. Это достигается за счет использования зондирующих сигналов малой мощности, например не более 3⋅10^-4 Вт между электродами, контактирующими с телом. А также за счет отсутствия однонаправленности в передаче энергии зондирующего сигнала в организме: переменный ток заставляет совершать только колебательные движения полярные молекулы и ионы.

В диагностическом плане устройства для измерения импеданса частей тела используются в качестве первичных преобразователей в приборах, отражающих динамику клинического состояния больного: параметры кровообращения, дыхания и водного баланса, а также для контроля качества проведения процедур пациентам, находящимся на постоянном гемодиализе, путем оценки величины «сухого веса» пациента, характеризующего адекватное состояние гидратации организма.

Из уровня техники известны следующие технические решения.

Известно устройство для определения объемного содержания внеклеточной и внутриклеточной жидкости в тканях биологического объекта, содержащее четыре пары потенциально-токовых электродов, генератор зондирующего тока, управляемый коммутатор, детектор, аналого-цифровой преобразователь и блок обработки и индикации, которое позволяет измерять импеданс частей тела: рук, туловища и ног и, используя его значения, полученные при измерениях на низкой и высокой частотах, определять объемы жидкости [1]. Импеданс туловища в устройстве измеряется с помощью электродов, расположенных на руках и ногах. Такое расположение электродов не создает помех для процедурных манипуляций в области туловища. Но при измерениях на низкой частоте, например 5 кГц, существенное влияние на точность измерения импеданса тела оказывает величина переходного сопротивления между токовым электродом и телом (R_Э). Отсутствие контроля величины R_Э вносит непредсказуемые ошибки в величину измеряемого импеданса тела, в значительной мере это часто встречается при обследовании пожилых людей, кожа которых более сухая. Снижение величины R_Э достигается дополнительным увлажнением поверхности токовых электродов. При измерении импеданса на высокой частоте, например 500 кГц, существенное влияние на точность измерения оказывают паразитные электрические емкости (С_Э), возникающие между токовыми проводниками, обеспечивающими соединение электродов с прибором. В данном устройстве отсутствует инструментальный контроль положения проводников, соединяющих электроды с прибором, и величина С_Э является непредсказуемой и существенно влияет на точность измерения импеданса на частоте 500 кГц.

Наиболее близким аналогом заявленного устройства является устройство для измерения электрического импеданса в частях тела, содержащее четыре пары электродов, каждая из которых содержит токовый и потенциальный электрод, предназначенные для фиксации на конечностях, генератор зондирующих сигналов, разноименные выходы которого через первый и второй коммутаторы соединены с парами электродов, причем потенциальные выходы коммутаторов соединены с входами детектора, выход которого через аналогово-цифровой преобразователь соединен с сигнальным входом блока управления и регистрации, управляющие выходы которого соединены с управляющими входами коммутаторов и генератора зондирующих сигналов [2]. Определение объема клеточной жидкости в устройстве производится на основании вычисления емкостной составляющей импеданса частей тела исходя из величин импеданса измеренного на низкой 5 кГц и высокой 500 кГц частотах [3]. Данная методика вычисления объема клеточной жидкости требует повышенной точности измерения импеданса частей тела и отсутствие контроля величины R_Э и снижение величины С_Э существенно влияет на диагностические возможности данного устройства, например, при проведении измерений у больных на гемодиализе, когда наблюдается значительная динамика объемов жидкости тела: до 5 литров за 4 часа процедуры.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерения импеданса тела путем обеспечения контроля качества контакта электродов с телом в процессе измерения импеданса, а также снижением величины паразитной электрической емкости, возникающей между проводами, соединяющими электроды с корпусом прибора.

Технический результат достигается за счет конструкции устройства для измерения электрического импеданса в частях тела, содержащее четыре пары электродов, каждая из которых содержит токовый и потенциальный электрод, предназначенные для фиксации на конечностях, генератор зондирующих сигналов, разноименные выходы которого через первый и второй коммутаторы соединены с парами электродов, при этом потенциальные выходы коммутаторов соединены с входами детектора, выход которого через аналогово-цифровой преобразователь соединен с первым - сигнальным входом блока управления и регистрации, первый, второй и третий управляющие выходы которого соединены с управляющими входами коммутаторов и генератора зондирующих сигналов, причем межблочные выходы зондирующих сигналов первого и второго коммутаторов соединены с их вторыми входами, дополнительно между разноименными выходами генератора зондирующих сигналов подключена калибровочная цепочка, содержащая последовательно соединенные резистор и управляемый ключ, вход которого соединен с четвертым выходом блока управления и регистрации, при этом электрические проводники, соединенные с парами электродов, предназначенных для фиксации на правых конечностях тела, и электрические проводники, соединенные с парами электродов, предназначенных для фиксации на левых конечностях тела, входят в корпус устройства с противоположных сторон, причем проводники пар электродов, предназначенных для фиксации на ногах, короче проводников, соединенных с парами электродов, предназначенных для фиксации на руках.

При этом устройство содержит блок радиоканала, соединенный с пятым выходом блока управления.

Далее решение поясняется ссылками на фигуры, на которых приведено следующее.

Фиг. 1 - условное обозначение импеданса частей тела.

Фиг. 2 - структурная схема устройства для измерения импеданса в частях тела.

Фиг. 3 - эквивалентная схема, отображающая переходное сопротивление электрод-ткань и функциональные блоки для его измерения.

Фиг. 4 - диаграмма сигналов, регистрируемых посредством потенциальных электродов при измерении импеданса в одном отведении.

Фиг. 5 - условное отображение логической последовательности измерений в «n-циклах» работы устройства.

Фиг. 6 - представлена функциональная схема, обеспечивающая передачу измеренных параметров по радиоканалу.

Устройство для измерения электрического импеданса частей тела (фиг. 1) содержит: генератор 1 зондирующих сигналов, выходы которого соединены с входами первого коммутатора 2 и второго коммутатора 3, блок 4 управления и регистрации, первый выход которого соединен с управляющим входом генератора 1, а второй и третий управляющие выходы с управляющими входами коммутатора 2 и коммутатора 3, детектор 5 входы которого соединен с сигнальными выходами коммутатора 2 и коммутатора 3, а выход - через аналого-цифровой преобразователь 6 с информационным входом блока 4.

Пары электродов 7, 9, предназначенные для правой ноги и правой руки, посредством проводников соединены с коммутатором 2, пары электродов 8, 10, предназначенные для левой ноги и левой руки, посредством проводников соединены с коммутатором 3, причем проводники от 7 и 8 пары электродов и проводники от 8 и 10 пары электродов входят в корпус 13 прибора с противоположных сторон, при этом проводники 7 и 8 пары электродов короче проводников 9 и 10 пары электродов.

Для измерения импеданса составных частей тела используется тетраполярный метод, в котором пары электродов, содержащие токовый и потенциальный электроды, накладывают на дистальные части предплечий, голеней и шеи, причем токовый электрод накладывается на правую часть шеи, а потенциальный - на левую. Импеданс в выбранных отведениях измеряют посредством зондирующего тока низкой и высокой частот, коммутация которого между токовыми электродами осуществляется посредством первого и второго коммутатора. При этом для измерения сигнала используются потенциальные электроды, входящие в пары электродов, через которые подается зондирующий ток. Сигналы с потенциальных электродов 7÷100 через коммутаторы 2 и 3, детектор 5 и аналого-цифровой преобразователь 6 поступают на блок 4 управления и регистрации. Пары электродов 7÷10 позволяют производить измерения в отведениях, характеризующих импеданс следующих частей тела (фиг. 1):

Z_П=Z_ПР+Z_ПНТ+Z_ПН,

где Z_П - импеданс правой части тела, который измерен при прохождении тока между правой рукой и правой ногой путем измерения между ними напряжения отведения для правой части тела;

Z_ПН - импеданс правой ноги;

Z_ПНТ - импеданс правой нижней части туловища;

Z_ПР - импеданс правой руки

Z_Л=Z_ЛР+Z_ЛНТ+Z_ЛН,

где Z_Л - импеданс левой части тела, который измерен при прохождении тока между левой рукой и левой ногой путем измерения между ними напряжения отведения для левой части тела;

Z_ЛН - импеданс левой ноги;

Z_ЛНТ - импеданс левой нижней части туловища;

Z_ЛР - импеданс левой руки

Z_Н=Z_ПН+Z_ЛН,

где Z_Н - импеданс ног, который измеряется при прохождении тока между ногами путем измерения напряжения между ними;

Z_В=Z_ПР+Z_ТТ+Z_ЛР,

где Z_В - импеданс верхней части тела, который измерен при прохождении тока между правой рукой и левой рукой путем измерения между ними напряжения отведения для верхней части тела;

Z_ТТ - импеданс торакальной части туловища;

Z_Д=Z_ПР+Z_ДТ+Z_ЛН,

Z_Д - диагональный импеданс тела, который измеряется при прохождении тока между правой рукой и левой ногой путем измерения напряжения между правой рукой и левой ногой;

Устройство для измерения электрического импеданса в частях тела работает следующим образом.

Измерение импеданса: Z_П, Z_Л, Z_Н, Z_В, Z_Д производится путем подключения посредством коммутаторов 2 и 3 выходов генератора 1 синусоидального сигнала с частотой 5 и 500 кГц и стабилизированной величиной тока, например 0,3 мА, к токовым электродам, а также подключением посредством коммутаторов 2 и 3 потенциальных электродов к входам детектора 5. Например, для измерения импеданса Z_П подключение стабилизированной величины зондирующего тока, посредством коммутаторов 2 и 3, производится к токовым электродам пар 7 и 9, а потенциальные электроды этих же пар, посредством коммутаторов 2 и 3, подключаются к входам детектора 5. на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное величине импеданса исследуемого участка тела, значение которого после преобразования в цифровую форму преобразователем 6 подается на информационный вход блока 4. Для измерения импеданса Z_B используются пары электродов 9 и 10, а для измерения импеданса ног Z_H используются пары электродов 7 и 8.

Управление работой генератора 1 осуществляет блок 4 таким образом, что для измерения импеданса в одном отведении на токовые электроды выбранных пар электродов с генератора 1 подается синусоидальный сигнал с частотой 5 и 500 кГц во временной последовательности, приведенной на фиг. 4. Синхронно с формированием зондирующего сигнала генератором 1 блок 4 управляет работой ключа 12, переключая его в замкнутое или разомкнутое состояние. Когда ключ 12 замкнут, то параллельно выходу генератора 1 подключается резистор 11. Последовательность зондирующих сигналов в виде напряжений, регистрируемых посредством потенциальных электродов, представлена на фиг. 4. На токовые электроды последовательно интервалами по 80 мс подается стабильное значение зондирующего тока в первом и втором интервалах с частотой 5 кГц и в третьем интервале с частотой 500 кГц. В течение первого интервала замкнут ключ 12. Амплитуды сигналов, регистрируемые посредством потенциальных электродов, имеют следующие соотношения: амплитуда в первом интервале меньше, чем во втором, т.к. подключен резистор 11 и часть тока протекает через него, амплитуда в третьем интервале меньше чем во втором, т.к. импеданс тканей имеет емкостную составляющую. Соотношение амплитуд в первом и втором интервалах используется для вычисления величины R_Э (фиг. 3).

Оценка качества контакта токовых электродов с телом пациента производится путем измерения величины переходного сопротивления «R_Э» на частоте 5кГц зондирующего тока (I) (фиг. 3). Перед информационным измерением импеданса тела на частоте 5 кГц параллельно выходу генератора тока посредством управляемого ключа «кл» подключают шунтирующий резистор «R_Ш» и посредством потенциальных электродов и измерителя напряжения «V» измеряют падение напряжения на измеряемом участке тела «U_Ш» после чего без подключения резистора R_Ш измеряют информационное напряжение «U», которое используется для вычисления импеданса исследуемого участка тела «R_T». Вычисление значения R_Э производится согласно следующим математическим преобразованиям:

R_Э=(r_э+r_э);

R=R_Э+R_Т;

U=I⋅R_T; R_T=U/I;

U_Ш=(I-I_Ш)⋅R_T; R_Т=U_Ш/(I-I_Ш);

U/I=U_Ш/(I-I_Ш); U_Ш/U=(I-I_Ш)/I=1-(I_Ш/I);

U_Г=I⋅(R_Ш⋅R)/(R_Ш+R);

где U_Г - напряжение на выходе генератора 5 кГц;

I_Ш=U_Г/R_Ш=I⋅R/(R_Ш+R);

I=U_Г/R=I⋅R_Ш/(R_Ш+R);

U_Ш/U=R_Ш/(R_Ш+R);

U/U_Ш=1+R/R_Ш;

R=R_Ш⋅[(U/U_Ш)-1];

R_Э={R_Ш⋅[(U/U_Ш)-1]}-R_T.

При превышении измеренной величиной R_Э порогового значения формируется сообщение, и дальнейшие измерения не производятся. Амплитуда сигнала во втором интервале пропорциональна активной составляющей тканей (Z_П, Z_Л, Z_Н, Z_В, Z_Д), а соотношение ее с амплитудой в третьем интервале позволяет вычислить емкостную составляющую импеданса тканей. Сигналы с потенциальных электродов через коммутаторы 2 и 3 подаются на входы детектора 5, который их усиливает, детектирует действующее значение и через преобразователь 6 в цифровой форме величины, пропорциональные сигналам для каждого интервала зондирующего тока, подаются на вход блока 4. Блок 4 последовательно формирует управляющие сигналы, обеспечивающие измерение напряжений, приведенных на фиг. 3 для всех отведений, которые выбраны для измерения импеданса: Z_П, Z_Л, Z_Н, Z_В, Z_Д,. Измеренные напряжения (фиг. 3) для всех выбранных отведений (Z_П, Z_Л, Z_Н, Z_В, Z_Д) запоминаются в оперативной памяти блока 4 и образуют 1-й цикл измерения. Блок 4 осуществляет управление для последовательного измерения и запоминания измеренных напряжений для «n-циклов» фиг. 5. После измерения напряжений в «n-циклах» режим измерения в работе блока 4 считается завершенным и все измеренные значения становятся доступными для отображения их на индикаторе блока 4 или все измеренные значения посредством блока 18 радиоканала («Wi-Fi») (фиг. 6) передаются во внешнее вычислительное устройство для вычисления параметров гидратации согласно известным методам. Измерение параметров импеданса в «n-циклах» производится для того чтобы усреднить колебания измеренных значений, вызванных, в первую очередь, физиологическими процессами в организме: дыхание, сердечные сокращения, ортостатическое перераспределение жидкости.

При измерениях импеданса на низкой частоте, например 5 кГц, существенное влияние на точность измерения импеданса тела оказывает величина переходного сопротивления между токовым электродом и телом (R_Э). Контроль величины R_Э позволяет устранить непредсказуемые ошибки при измерении импеданса тела, в значительной мере это существенно при обследовании пожилых людей, кожа которых более сухая. При выявлении устройством превышения порогового значения измеренной величиной R_Э производится дополнительное увлажнением поверхности токовых электродов.

При измерении импеданса на высокой частоте, например 500 кГц, существенное влияние на точность измерения оказывают паразитные электрические емкости (С_Э), возникающие между токовыми проводниками, обеспечивающими соединение электродов с прибором. Выполнение в корпусе устройства с противоположных сторон выводов проводников, соединенных с парами электродов, предназначенных для фиксации на правых конечностях тела относительно пар электродов, предназначенных для фиксации на левых конечностях тела, существенно снижает и нормализует остаточное значение величины емкости С_Э и позволяет вносить поправку в значение измеренного импеданса на частоте 500 кГц.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент SU №1826864 кл. А61В 5/05, 1990.

2. Патент RU №2242165 кл. А61В 5/053, 2003.

3. Капитанов Е.Н. Биофизическая модель для определения объемов жидкости в организме при его зондировании переменным электрическим током, М., Материалы пятой научно-практической конференции: "Диагностика и лечение нарушений регуляции сердечно-сосудистой системы", март 2003, С. 196-203.