Актуальность темы
Живой организм сложный, распределенный в пространстве, нелинейный, теплозависимый объект, параметры и характеристики которого могут меняться вследствие работы внутренних органов. В оценке его состояния и диагностике возникших патологических изменений используется множество методов, известных в самых различных областях естественных наук. Но, несмотря на огромные успехи в создании технических средств, предназначенных для диагностики состояния живых организмов, достоверность, объективность и воспроизводимость получаемой информации, характеризующей их физиологическое состояние пока недостаточна. Также имеют место проблемы, связанные с правильной интерпретацией получаемых данных. Существует ряд технических средств, имеющих приемлемые показатели информативности и воспроизводимости получаемой информации, однако они отличаются высокой стоимостью и не доступны для практического здравоохранения.
У живых организмов наблюдается диалектическое единство между внутренними и наружными структурами. Поэтому изменения состояния органов организма приводит к появлению аномалий на кожном покрове. Возникновение их является важнейшим диагностическим фактором, позволяющим объективно установить органы и системы, в которых появились патологические изменения.
Аномалии имеют самый различный характер. Это могут быть:
— зоны, имеющие разную болевую чувствительность к механическому (пальпаторному воздействию) — зоны, имеющие различную сопротивляемость пальпаторному воздействию;
— зоны, которые имеют аномально большие или аномально малые электрические сопротивления;
— зоны, имеющие аномальную сопротивляемость движению в ней других тел;
— зоны, с измененными свойствами кожного покрова-(имеющие цвет отличный от того, который имеется на соседних зонах);
— по-разному отражающие или поглощающие электромагнитные колебания.
Размеры аномалий меняются в зависимости от состояния органов и систем и времени, в которое производится их оценка, которая чаще всего проводится субъективно, исходя из опыта имеющегося у врача. Причем задача усложняется тем, что свойства кожной поверхности, дающие информацию о состоянии органов и систем живого организма, достаточно многочисленны и не имеют общепризнанных мер для* сравнения.
Снижение стоимости технических средств, используемых для получения информации о состоянии живых организмов, повышение ее достоверности и воспроизводимостиявляются важными проблемами, решаемыми специалистами в области создания измерительной техники.
На кафедре информационно-измерительной техники УГАТУ, в коллективе, руководимом доктором технических наук В. Г. Гусевым, разработаны структуры и принципы построения устройств, в которых информацию о состоянии живой материи получают в режиме заданной мощности взаимодействия объекта с источником электрической энергии. Это обеспечивается с помощью измерительного генератора заданной электрической мощности ИГЗМ. Было разработано, создано и исследовано устройство, обеспечивающее неизменное значение постоянной электрической мощности, не зависящей от электрических параметров оцениваемого объекта. Свойства объекта исследовались с помощью импульсного сигнала, с постоянным уровнем средней мощности, рассеиваемой в сопротивлении нагрузки. В таком случае получаемые результаты будут характеризовать динамические свойства исследуемого объекта. По мнению автора данной работы целесообразно исследование режима, при котором в исследуемом объекте в процессе измерения рассеивается постоянное значение мгновенной электрической мощности.
В связи с этим целью работы является развитие теории построения технических средств, которые позволят получать более достоверную информацию об электрических параметрах зон на кожном покрове.
Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи:
1. Систематизировать информацию о методах и технических средствах с помощью которых оценивают физические свойства кожного покрова.
2. Выбрать наиболее рациональный и экономичный подход к построению технических устройств, для оценки электрических параметров зон кожного покрова.
3. Создать структуру информационно-измерительной системы, в которой реализован предложенный подход к получению информации и разработать принципиальную схему оригинального функционального узла.
4. Провести моделирование принципиальной схемы оригинального функционального узла ИИС и экспериментально проверить справедливость результатов, полученных при моделировании.
5. Оценить параметры и характеристики функциональных узлов, от которых зависит достоверность получаемой с помощью разработанной ИИС информации.
6. Экспериментально оценить параметры локальных зон биоткани с помощью разработанной ИИС.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на положениях теории электрических цепей, электроники, цифровой и вычислительной техники, информационно-измерительной техники. При проектировании уникальных функциональных блоков ИИС использовался программный продукт Micro-Cap, позволяющий проводить моделирование работы электронных схем. Для расчетов и обработки полученных данных использовалось программное обеспечение: MathCAD, LGraf2, DPlot.
Экспериментальные исследования проводились с помощью ИИС, макет которой разработан и реализован автором.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Систематизирована и структурирована информация, о технических средствах, которые могут быть использованы для неинвазивной оценки физических свойств зон на поверхности кожного покрова.
2. Разработана принципиальная схема измерительного преобразователя, обеспечивающего, в отличие от существующих, неизменность мгновенной электрической мощности, рассеиваемой на произвольном участке кожного покрова при выполнении измерительных операций, в течении заданного интервала времени.
3. Разработана структура ИИС, особенностью которой является то, что измерительная информация получается в режиме неизменного значения мгновенной электрической мощности, рассеиваемой в исследуемом объекте.
4. Результаты экспериментальных исследований взаимодействия ИИС с живым организмом и количественные оценки электрической проводимости в предложенном режиме.
Практическую значимость имеют:
1. Результаты систематизации информации о методах и технических средствах, предназначенных для получения информации^ физических свойствах кожного покрова и оценки их преимуществ и недостатков.
2. Разработанная и исследованная ИИС, предназначенная для получения информации об электрических параметрах зон поверхности кожного покрова.
3. Разработанный измерительный преобразователь, который может быть использован при контроле состояния объектов живой природы и результаты его исследования.
4. Результаты экспериментальных исследований взаимодействия ИИС с живым организмом и количественные оценки электрической проводимости в предложенном режиме.
Основные результаты выносимые на защиту:
1. Режим оценки электрической проводимости локальных зон на поверхности кожного покрова человека, при постоянстве мгновенной электрической мощности воздействующей на исследуемый объект, в процессе проведения измерительной операции.
2. Разработанный измерительный преобразователь и результаты его исследования.
3. Структура измерительной системы, результаты ее реализации и исследований, предназначенной для получения информации о сопротивлении локальных зон кожного покрова человека.
4. Результаты экспериментальных исследований взаимодействия ИИС с живым организмом и количественные оценки электрической проводимости в предложенном режиме.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
Во введении обоснована актуальность выполненной научной работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены научные результаты, выносимые на защиту, указана их научная новизна и практическая ценность.
Первая глава посвящена обзору, систематизации и анализу существующих на сегодняшний день методов, позволяющих проводить оценку состояния сложных, нелинейных, теплозависимых объектов.
Систематизирована информация о построении технических средств, предназначенных для исследования параметров кожного покрова. На сегодняшний день разработано и используется оборудование, позволяющее оценивать следующие параметры живых организмов: водный и липидный баланс, топографию кожного покрова, цветовые и механические свойства поверхностей кожи и электрические свойства биообъектов. Информационный обзор показал, что отсутствует сколько-нибудь значительный массив литературы, содержащей сведения о параметрах и физических характеристиках кожного покрова, а также их количественной оценки. Имеются лишь разрозненные данные о тех или иных свойствах.
Обобщен материал о различных методах исследования состояния кожного покрова. Для прижизненной объемной визуализации исследуемого участка могут быть использованы такие методы так: оптическая когерентная томография, конфокальная микроскопия и ультразвуковая микроскопия. Информация, получаемая с помощью этих методов, весьма специфична, зависит от метода исследования, алгоритмов построения трехмерного изображения и точности сканирующей системы. Наиболее существенным недостатком этих методов является то, что оборудование, реализующее эти методы, является дорогостоящим.
Методы, позволяющие оценивать увлажненность, температуру кожного покрова, целесообразно применять для уточнения получаемых данных.
Для изучения механических свойств биоткани (применяется, для оценки эффективности косметических средств) наиболее эффективен метод вакуумной кутометрии. Он позволяет оценить совокупность параметров различных слоев кожи, которые определяют механические свойства кожного покрова.
При постановке диагноза и слежении за течением раневых процессов и кожных заболеваний эффективным оказывается анализ изображений, полученных с помощью камер высокого разрешения. Они позволяют оценить изменение окраски аномальных участков по сравнению нормальными участками. Поврежденные участки нельзя подвергать сильным механическим воздействиям, поэтому метод всасывания применять невозможно. В этом случае целесообразно применение прибора «акустический анализатор», уровень внешнего воздействия которого незначительный.
Наибольший интерес для диагностики психофизического состояния биологических организмов имеют физические параметры локальных зон, которые получили названия точек акупунктуры (ТА) [12, 13]. Так, например, в литературе утверждается, что путем измерения электрических параметров ТА можно определить конкретное заболевание, а также оценить баланс энергий в объекте биологической природы [1, 40].
Показано, что для повышения стабильности и воспроизводимости информационных сигналов целесообразно использовать измерительные цепи, в которых обеспечивается определенность энергетического взаимодействия между объектом и цепью, с помощью которой получают информационные сигналы [17−20].
Отмечено, что получаемая информация, характеризуемая электрическими сигналами, существенно зависит от температуры окружающей среды, уровня увлажнения участка под измерительным электродом, его поляризации с течением времени, уровня механического воздействия и биоритмов изменения электрических свойств, характеризующих данную зону [14, 15].
Во второй главе разработана структура и принципиальная схема оригинального измерительного преобразователя, который обеспечивает неизменной мгновенное значение мощности электрическойэнергии, рассеиваемой в исследуемом объекте. Электрическая мощность не зависит от изменений параметров сопротивления нагрузки.
Структура характеризуется функциональной схемой, приведенной на рисунке 1.
Идея работы преобразователя заключается в том, что напряжение, подаваемое с выхода измерительного преобразователя на исследуемый объект, автоматически поддерживается на том уровне, при котором произведение падения напряжения и электрического тока, протекающего через исследуемый объект, в каждый момент времени, есть величина постоянная. Это статический преобразователь, который с погрешностью, характеризуемой статизмом системы, поддерживает неизменный уровень электрической мощности, рассеиваемой в сопротивлении нагрузки Ян (0- Значение ее задается сигналом уставки блока 5. При изменениях сопротивления нагрузки падение напряжения и электрический ток через нее меняются так, что их произведение остается неизменным.
0) = иэт (0-ир (0.
X.
X У.
У ир (0=иисщ®) Г.
Рни (1)4(1) = со}Ш.
11-управл иэтЮ.
Рисунок 1 — Функциональная схема генератора электрической мощности: 1 -управляемый источник напряжения- 2 — преобразователь ток-напряжение- 3 -перемножитель напряжений- 4 — усилитель напряжения- 5 — источник опорного напряжения- 6 — сравнивающее устройство.
Работа преобразователя, выполненного по функциональной схеме, представленной на рисунке 1, сводится к выполнению следующих операций. К объекту прикладывается напряжение и, снимаемое с блока 1. Оно создает падение напряжения на объекте и (г), измеряемое блоком 4, при токе через него ф), измеряемом блоком 2. Ток Щ преобразуется в пропорциональное ему напряжение Значения напряжений перемножаются в перемножителе мгновенных значений напряжения, выполненном в блоке 3: ир (Г) = ии")-и1{0 (2).
На выходе блока 3 получается сигнал, пропорциональный мгновенной мощности иР (г), рассеиваемой в исследуемом объекте. Этот сигнал иР^), сравнивается с сигналом уставки Uor (t), который формируется блоком 5, в сравнивающем устройстве 6: ju (t) = U3T (t)-UF (t) (3).
Сигнал разности заданной и рассеянной мощностей /u (t) подается на блок 1. Напряжение на выходе блока 1 изменяется так, что разность сигналов на выходе блока 6 имеет значения, характеризуемые статизмом системы. При достаточно большом коэффициенте преобразования блока 1 в объекте рассеивается мощность близкая к значению заданному сигналу блока уставки 1. Она не зависит от значения сопротивления объекта Ru (t), что позволяет получить определенность со значением электрической мощности, рассеиваемой в сопротивлении RH при проведении измерительных операций.
Так как такие ИГЗМ ранее не разрабатывались и не реализовывались, и особенности их работы не исследовались, проведено компьютерное моделирование, позволившее оценить требования к параметрам элементов, выяснить их влияние на основные параметры ИГЗМ, от которых зависит точность получения измерительной информации. Выполнена оценка устойчивости ИГЗМ и установлено, при каких значениях точности она может быть потеряна. Компьютерное моделирование проведено с помощью программы Micro-Cap. В процессе моделирования было установлено, что ИГЗМ, имеющие такую структуру и погрешность поддержания мощности на уровне 10%, относятся к числу устойчивых. Для повышения точности и уменьшения статической погрешности целесообразно увеличивать коэффициент усиления усилителя сигнала ошибки, установленного после перемножителя сигналов. Этот коэффициент определяется произведением коэффициентов усиления сравнивающего устройства (блок 6 на рис.2) и управляемого источника напряжения (блок 7 на рис. 2).
Рисунок 2 — Упрощенная принципиальная схема ИГЗМ: 1 — разъем для подключения электродов- 2 — усилитель напряжения- 3 — совмещенный управляемый источник напряжения и преобразователь ток-напряжение- 4 -перемножитель аналоговых сигналов- 5 — источник опорного напряжения- 6 сравнивающее устройство- 7 — усилитель.
Проведена оценка влияния параметров ИГЗМ на достоверность информации, получаемой с помощью ИИС, а также изменение свойств ИГЗМ в зависимости от значений статических характеристик и динамических параметров.
Компьютерное моделирование показало, что погрешность поддержания заданного значения мощности ИГЗМ, не превышает 10%, в диапазоне изменений внутреннего сопротивления биообъекта от 50 кОм до 500 кОм.
Результаты компьютерного моделирования позволили подобрать рациональные параметры элементов ИГЗМ и оценить влияние этих параметров на характеристики ИГЗМ.
Технические характеристики ИГЗМ:
Погрешность поддержания заданной мощности — не более 10%.
Диапазон рассеиваемой в нагрузке электрической мощности — от 10 до 120 мкВт.
Диапазон сопротивлений нагрузки, в котором обеспечивается заявленная точность поддержания мощности — от 50 до 500 кОм.
Также разработан, реализован и исследован функциональный узел, позволяющий выполнить оценку влияния механической деформации кожного покрова на уровень снимаемого с него электрического информационного сигнала. Его упрощенная конструкция приведена на рисунке 3.
Точечный электрод представляет собой круглый металлический стержень, площадью 2 мм" и длиной 2,5 см. С помощью резиновой прокладки он жестко скреплен с чувствительным элементом датчика усилия. Датчик усилия закреплен внутри металлического корпуса, который служит нулевым электродом.
Рисунок 3 — Конструкция электрода с датчиком усилия: 1 — хлорсеребряный электрод, площадь которого составляет 2 мм2- 2 — изолятор, обеспечивающий жесткую связь с чувствительным элементом датчика усилия- 3 — металлический корпус, который служит «нулевым» электродом- 4 — датчик усилия- 5 — экранированный провод.
В качестве датчика усилия применен датчик FSG15N1A компании Honeywell. Эти датчики предназначены для прецизионного измерения величины приложенного усилия в диапазоне 0—1.5 кг.
В третьей главе разработана структура оригинальной ИИС, в которой предпринята попытка учесть и стабилизировать влияние наиболее важных физических параметров. ИИС предназначена для оценки состояния органов и систем организма по электрическим параметрам его отдельных точек и зон на — поверхности кожного покрова. Они известны под названием «точек акупунктуры» и «зон Захарьина-Геда». (П II 1! Ч" чсгЛ^Г].
Ц, Ц, ц.
0 0 Т8.5Р.
0 Сь.
Ц/> Ц> иг к'.
•ча.
Рисунок 4 — Структура системы измерения электрических свойств сложного многокомпонентного объекта: 1 — измерительный генератор (ИГЗМ) — 2 — электроды- 3 — исследуемый объект- 4 — нормирующие преобразователи- 5 — датчик усилия- 6 — цифровые вольтметры- 7 — устройство обработки и передачи данных в ПЭВМ- 8 — ПЭВМ.
Особенностью структуры приведенной на рисунке 4 является то, что в ней применен вольтамперометрический метод получения информации о состоянии исследуемой зоны, который реализован с помощью устройства, обеспечивающего постоянное значение рассеиваемой электрической мощности в исследуемом объекте. Данное условие выполняется в случае применения оригинального устройства, названного измерительным генератором заданной мощности (ИГЗМ). Оно обеспечивает неизменность значения мощности рассеиваемого в любом произвольном электрическом сопротивлении, являющемся нагрузкой у ИГЗМ. При его использовании появляется возможность однозначной оценки состояния нелинейных, температурно-зависимых объектов, к числу которых относятся живые организмы.
Измерительный генератор заданной мощности (ИГЗМ) — 1, позволяет поддерживать значение рассеиваемой в объекте измерения мощности постоянным. Подключение ИГЗМ к исследуемому объекту 3, осуществлено посредством металлических электродов 2. С помощью датчика усилия, жестко скрепленного с измерительным электродом 5, получаем информацию об уровне внешнего механического воздействия на исследуемый объект. Для расчета текущего значения сопротивления исследуемого объекта измеряем значения напряжения и тока на измерительных электродах в каждый момент времени. Для преобразования сигнала на выходе датчика усилия и сигналов с ИГЗМ, в унифицированный сигнал стандартного диапазона О — 5 В, использованы нормирующие преобразователи 4, построенные на базе ОУ. Для отображения значений измеряемых параметров 6, применены цифровые вольтметры БТ832. Для более точного измерения параметров состояния объекта, предусмотрено устройство сбора, обработки и передачи информации 7, с помощью которого считываем данные в персональный компьютер.
Блок, позволяющий производить обработку и передачу информации в ПЭВМ, реализован устройством Е-154. Это устройство включает в себя 12-ти разрядный АЦП. Модуль Е-154 подключается к любому свободному иЭВ-порту персонального компьютера. Для регистрации данных, поданных на аналоговые входы модуля Е-154, используется программа ЬСгарЬ2. С ее помощью также осуществляется управление модулем: устанавливается количество «опрашиваемых» каналов, частота «опроса» каналов.
Разработанная ИИС позволяет проводить оценку электрических свойств исследуемого участка биоткани, при известных уровнях механического и электрического воздействий. Ее макет представлен на рисунке 5.
Рисунок 5 — Реализация макета разработанной ИИС 1 — переключатель режимов заданной мощности- 2 — разъемы для подключения измерительных электродов- 3 — цифровые вольтметры- 4 — устройство обработки и передачи данных в ПЭВМ- 5 — ПЭВМ- 6 — разъемы для подключения цифровых вольтметров- 7 — измерительный электрод с датчиком, оценивающим уровень усилия.
В четвертой главе приведены результаты проверки работоспособности разработанной ИИС и оценка параметров, которые затруднительно получить теоретически. При исследованиях параметров биоткани, увлажнение участков под электродами производилось с помощью токопроводящего геля.
Необходимо отметить, что диапазон сопротивлений биоткани, получаемый с помощью разработанной ИИС, при увлажнении токопроводящим гелем, находится в пределах 50 — 500 кОм. Применение геля позволяет проводить длительные эксперименты (до 20 минут), поскольку увлажненность участка под измерительным электродом меняется незначительно.
Регистрация данных производилась с помощью модуля АЦП типа Е-154, имеющего максимальную приведенную погрешность на постоянном токе.
0.1%. Обработка данных проводилась на ПЭВМ с помощью программного обеспечения LGraf2, MS Excel, DPlot.
Также экспериментальными исследованиями оценена справедливость результатов компьютерного моделирования ИГЗМ. Для этого ИГЗМ нагружался на известные значения сопротивления нагрузки, задавалось значение мощности и измерялось падение напряжения.
При исследовании эталонной нагрузки, в качестве которой использовались сопротивления типа С2−23 (разброс параметров 1%). Номиналы 100 кОм, 200 кОм, 300 кОм. Отклонение измеряемых значений от номиналов эталонных сопротивлений не превышало 4%.
Проведен эксперимент с раствором электролита (0,9% раствором хлорида натрия), куда погружались измерительные электроды. Расстояние между электродами составляет около 10 см. Электрод большой площади погружен в раствор полностью. Точечный электрод погружен на 3−4 мм. Уровень рассеиваемой электрической мощности задан на уровне 15 мкВт.
Рисунок 6 — Исследование поляризации электродов.
Как видно из графика на рисунке 6, в промежуток времени равный 25 минут, сопротивление исследуемого объекта меняется с 31 до 38 кОм. Это изменение объясняется поляризацией измерительных электродов. При очищении измерительного электрода сопротивление вновь возвращается к начальному значению 31 кОм. При кратковременных измерениях, длительность которых не превышает одной минуты, поляризация электродов не оказывает особого значения на результаты измерения.
При обработке результатов, полученных электрическими методами, многие исследователи не учитывают влияние таких факторов, как уровень рассеиваемой в исследуемом объекте электрической мощности, полярность диагностического напряжения, силу нажатия поисковым электродом. Однако эти факторы оказывают существенное влияние на получаемые результаты. Далее приводятся количественные оценки влияния вышеперечисленных факторов на электрические свойства биоткани. Нулевой электрод располагался на запястье левой руки. Это электрод большой площади — более 20 см .
Вторая точка Е14*.
Первая точка РС115*.
Нулевой еэлектрод.
Третья точка РС41 *.
Четвертая точка VB37*.
Рисунок 7 — Локальные зоны кожного покрова параметры которых оценивались в процессе экспериментов.
С помощью точечного электрода проводилось исследование локальных зон, расположенных на различных участках тела (рисунок 7):
1) Первая располагается в области предплечья. В атласе точек акупунктуры эта точка называется «би-чжун», имеет индекс РС115.
2) Вторая располагается в области грудной клетки. Она называется «ку-фан», имеет индекс Е14.
3) Третья располагается в области живота. Она называется «ци-чжун», имеет индекс РС41.
4) Четвертая располагается в области голени. Она называется «гуан-мин», имеет индекс VB37.
Проведено исследование влияния механического воздействия на свойства биоткани. Через объект измерений пропускался электрический ток заданной мощности, но к измерительному электроду в процессе эксперимента прикладывались различные значения механического усилия. Сначала было * приложено едва ощутимое усилие (10 г/мм"), которое постепенно.
•у увеличивалось до появления болевых ощущений (100 г/мм). Площадь измерительного электрода 2 мм. На графиках (рисунок 7) представлены измерения параметров точек PC 115, El4, РС41, VB37. Уровень электрической мощности составлял 15 мкВт, полярность напряжения диагностического электрода положительная.
Как видно из графиков на рисунке 8, сопротивление исследуемого участка зависит от уровня прикладываемого к измерительному электроду механического давления. Имеет место следующая закономерность: с л з. увеличением уровня прикладываемого механического усилия электрическое сопротивление биоткани уменьшается. Видимо это объясняется следующими факторами. Наибольшее значение электрического сопротивления имеют верхние слои кожного покрова, поскольку они менее увлажнены по сравнению с низлежащими слоями. Однако при механическом сжатии этих слоев, жидкость перераспределяется таким образом, что заполняет микрополости в роговом слое, уменьшая тем самым его электрическое сопротивление. Уменьшение электрического сопротивления происходит до тех пор, пока концентрация жидкости в роговом слое не достигнет предельного значения.
Количественные оценки изменения проводимости, при мгновенном значении прикладываемой электрической мощности 15 мкВт и положительной полярности напряжения измерительного электрода:
— если уровень усилия составляет порядка 20 г/мм, то сопротивление биоткани составляет 200 и более кОм;
— если уровень усилия составляет 50 г/мм, то сопротивление биоткани находится в диапазоне от 130 до 180 кОм;
— если уровень усилия составляет 90 г/мм2, то сопротивление биоткани будет порядка 100 кОм и меньше. О.
200 160 120.
80 I.
40, О.
2001 160 1201 80 40.
60 а).
80 Р, г/мм2 О ьс с£ 200.
0″ .
О'.
Ы ! сйГ! 200|.
160;
120|.
80).
Р, г/мм~.
60 80 б).
40 60.
Г).
Р, г/мм2.
Р, г/мм:
40 60 (В).
Рисунок 8 — Механическое воздействие на биоткань с помощью точечного электрода: (а) — первая зона- (б) — вторая зона- (в) — третья зона- (г) — четвертая зона.
Также необходимо отметить, что свойства локальных зон, в которых проводились исследования, существенно различаются между собой при прочих идентичных условиях эксперимента (сила нажатия, мощность диагностического тока, степень увлажненности и пр.). На получаемые результаты оказывают влияние: толщина кожи, плотность потовых желез и механорецепторов и прочие факторы. г О о£.
120 100 80 60 40 20 4.
О с£.
120 100 80 60 40 20.
10 20.
30 а).
40 50.
Р, мкВт.
10 20 30 40.
Р, мкВт.
В) о.
120 100 80 60 40 20 б5.
О ы.
120 100 80 60 40 20.
20 30 40 50.
Р?мкВт б).
10 20 30 40 50.
Р.мкВт г).
Рисунок 9 — Воздействие различными значениями заданной мощности: (а) первая точка- (б) — вторая точка- (в) — третья точка- (г) — четвертая точка.
Поскольку уровень механического усилия, прикладываемого к измерительному электроду, существенно меняет электрическое сопротивление биоткани, при оценке электрических свойств необходимо поддерживать его неизменный уровень в процессе эксперимента.
Приведены результаты оценки влияния мощности диагностического тока на электрические свойства исследуемого участка. Полярность диагностического напряжения положительная, уровень прикладываемого к измерительному электроду механического усилия составляет порядка 50 г/мм2.
Как видно из результатов проведенных экспериментов, измеряемые значения электрического сопротивления биоткани зависят от уровня электрической мощности диагностического воздействия (рисунок 9):
— если уровень рассеиваемой мощности составляет 7 мкВт, то сопротивление биоткани изменяется в диапазоне от 80 до 130 кОм;
— если уровень рассеиваемой мощности составляет от 15 до 30 мкВт, то сопротивление биоткани изменяется в диапазоне от 55 до 100 кОм;
— если уровень рассеиваемой мощности составляет от 40 до 80 мкВт, то сопротивление биоткани изменяется в диапазоне от 72 до 132 кОм.
Рисунок 10 — Исследование влияния полярности напряжения на точечном электроде, на электрические свойства биоткани в зоне УВ37. 1, 3 участки — положительная полярность, 2-й участок — отрицательная полярность.
Установлено, что в различных локальных зонах, минимуму электрического сопротивления соответствуют различные значениях электрической мощности измерительного преобразователя. Уровни рассеиваемой мощности, при которых получаем минимальные значения сопротивления, находятся в диапазоне от 15 мкВт до 35 мкВт.
Проведена серия продолжительных экспериментов (3 минуты и более), в ходе которых менялась полярность напряжения на выходе ИГЗМ. Результаты одного из этих экспериментов представлены на рисунке 11. Уровень электрической мощности, рассеиваемой в процессе эксперимента, составлял около 15 мкВт. Уровень механического усилия, прикладываемого к измерительному электроду составляет порядка 50 г/мм .
Полярность определяется следующим образом. Если к точечному электроду, по отношению к индифферентному электроду, приложен положительный потенциал, то полярность положительная. Если к активному электроду, по отношению к пассивному электроду, приложен отрицательный потенциал, то полярность отрицательная.
На рисунке 10 приведен график зависимости сопротивления исследуемого участка от полярности напряжения на измерительном электроде. Исследования проводились в зоне УВ37. Для наглядности график разбит на три участка:
1) Первый участок — промежуток времени от 0 до 41 с. Потенциал точечного электрода положительный.
2) Второй участок — промежуток времени от 41 до 125 с. Потенциал точечного электрода отрицательный.
3) Третий участок — промежуток времени от 125 до 210 с. Потенциал точечного электрода положительный.
Первый участок характеризуется незначительными изменениями электрических параметров исследуемого участка. Значения сопротивления биоткани изменяются в диапазоне от 84 до 90 кОм. Приложенное напряжение имеет положительную полярность.
На втором участке, полярность приложенного напряжения отрицательная. Электрические параметры меняются в> значительной степени, что объясняется установлением нового равновесного состояния между биообъектом и измерительным преобразователем. Значение сопротивленияменяется от 43 до 65 кОм. При достижениизначения около 62 кОм, дальнейший рост сопротивления практически прекращается. ,.
На третьем участке полярность приложенного напряжения положительная. Значение сопротивления меняется от 55 до 91 кОм. Причем рост сопротивления наблюдается приблизительно до значения г 87 кОм. Далее электрические параметры стабилизируются и остаются практически неизменными.
Из приведенных данных видно, что полученные значения электрического сопротивления1 биотканипри отрицательном 4 напряжении* приложенном к измерительному/ электроду, всегда, меньше, нежелиполученные в тех же точках, при прочих равных условиях, но г приположительном напряжении. В данном эксперименте значениясопротивления: в: установившемся режиме, при положительной полярности составляют около 87 кОм,. а при отрицательной' полярности составляют около 62 кОм: Предположительно-, это объясняется тем, что количество положительно и отрицательно заряженных ионов около измерительных электродов, различно. Из данных, полученных в результате эксперимента, можно сделать вывод, что процент отрицательно заряженных ионов (например 804 V С1″, СО «и др.), в данной локальной зоне, большийпо сравнению с положительно заряженными ионами- (например К+, Ыа+, Са2+, Мё2+).
Отмечено, что электрические свойства биоткани более стабильны при положительном напряжении, приложенном к измерительному электроду. Длительность установления равновесного состояния, при смене полярности напряжения, составляет порядка 40−70 с.
Результаты средних значений сопротивлений при положительной и отрицательной полярности приложенных напряжений, в установившемся режиме: Таблица 1.
Локальная зона Сопротивление локальной зоны, кОм.
Положительная полярность Отрицательная полярность.
РС115 60 52.
Е14 110 78.
РС41 80 61.
УВ37 87 62.
В результате проделанной работы проведено исследование информативности измерительной операции, при которой уровень мгновенной мощности, рассеиваемой в процессе измерения в исследуемом объекте, постоянен и не зависит от его параметров. Проведены количественные оценки влияния на электрические свойства биоткани таких параметров измерительного преобразователя, как: уровень механического нажатия точечным электродомуровень мгновенной электрической мощности, рассеиваемой в объекте измеренияполярность прикладываемого к точечному электроду напряжения. Разработана структурная и функциональная схема ИИС, в которой реализован вольтамперометрический метод получения информации в определенном мощностном режиме. Разработаны, рассчитаны, смоделированы и смакетированы функциональные узлы, входящие в состав ИИС.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: V всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученыхXIII Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии" — Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения" — IV всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы в науке и технике».
Список публикаций. По материалам диссертации опубликовано б печатных работ, в том числе 3 статьи в ведущих научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и 2 приложений. Основная часть диссертационной работы состоит из 160 страниц машинописного текста, содержит 48 рисунков и 19 таблиц.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Представленный материал является обобщением тех результатов, которые были получены с непосредственным участием автора, начиная с 2005 года по настоящее время. Значимость полученных результатов заключается в том, что они расширили научную базу знаний об электрических свойствах биологической ткани, а также о технических средствах получения информации, позволяющих оценивать эти свойства. Полученные результаты целесообразно использовать при проектировании информационно-измерительных систем, учитывающих влияние энергии воздействия измерительного сигнала на «исследуемый объект измерения.
На основании проведенных исследований получены следующие основные результаты работы и сделаны выводы:
1. Наибольший объем информации о состоянии зон на кожном покрове можно получить с помощью электрических методов. В технических средствах, дающих информационный сигнал, должны обеспечиваться постоянство и определенность энергетического взаимодействия исследуемого объекта и измерительного преобразователя. «2. Наиболее рациональный и экономически доступный подход к получению информации об электрических свойствах зон поверхности кожного покрова сводится к оценке составляющих мощности взаимодействия между исследуемым объектом и измерительным преобразователем.
3. Создана оригинальная измерительная система для оценки электрических параметров биоткани, обеспечивающая неизменное значение рассеиваемой в исследуемом объекте мгновенной электрической мощности. 4. Разработанная принципиальная схема функционального узла, обеспечивающего постоянство рассеиваемой в исследуемом объекте мгновенного значения электрической мощности, работоспособна, что подтвердилось при исследовании его макета.
Расхождение параметров полученных теоретически и при экспериментальных исследованиях макета не превышает 5%.
5. Погрешность поддержания заданного значения электрической мощности, рассеиваемой в исследуемом объекте, при изменении его электрического сопротивления в пределах от 50 кОм до 500 кОм, не превышает 10%.
Для обработки и передачи информации в ПЭВМ использован модуль Е-154, имеющий основную приведенную погрешность измерения напряжения не более ±1%.
6. Разработанная измерительная система"позволяет получать информацию* ' об электрических параметрах зон поверхности кожного покрова. Информационным параметром служит электрическое сопротивление локального участка биообъекта, которое оценивается при постоянстве мгновенного значения электрической мощности, рассеиваемой в объекте при оценке его состояния в конкретной зоне.
Экспериментальная оценка электрических параметров локальных зон на кожном покрове показала, что при электрических мощностях взаимодействия Р=8.110 мкВт электрическое сопротивление участка биоткани может меняться в зависимости от значения электрической мощности, рассеиваемой на исследуемом участке.
Установлено, что имеется экстремум мощности воздействующей на биообъект, при котором значение электрического сопротивления исследуемого участка минимально. Его значение различно для различных зон на поверхности кожного покрова и может находиться в диапазоне от 15 до 35 мкВт. а.
Гипотетически по этому параметру биоткани можно оценивать состояние локальных зон и получать дополнительную диагностическую информацию.
