устройство для оценки биоэлектрической активности точек акупунктуры

Формула изобретения

Устройство для оценки биоэлектрической активности точек акупунктуры, включающее измерительный и базовый электроды, контактирующие с точками акупунктуры биообъекта, усилители напряжений, фильтр нижних частот и регистрирующий прибор, отличающееся тем, что в него дополнительно введены разделительные конденсаторы, дифференциальный усилитель, автоматический переключатель, мультивибратор, балансный смеситель и последовательно соединенные узкополосный усилитель, настроенный на частоту переключения мультивибратора, и синхронный детектор, при этом электроды через разъемы и разделительные конденсаторы соединены с входами дифференциального усилителя, выходы которого соединены с входами усилителей напряжения, выход одного из них соединен с одним входом балансного смесителя, прямой и инверсный выходы другого усилителя соединены через автоматический переключатель со вторым входом балансного смесителя, выходом соединенным с входом узкополосного усилителя, управляющие входы автоматического переключателя и синхронного детектора соединены с выходами мультивибратора, а выход синхронного детектора через фильтр нижних частот соединен с регистрирующим прибором.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для оценки электрофизиологического состояния точек акупунктуры (ТА) в рефлексодиагностике и рефлексотерапии, а также для поиска ТА.

Электрическое сопротивление ТА является важнейшим параметром, по которому судят о биоэлектрической активности как отдельных точек, так и всего биологического объекта в целом. Для измерения электросопротивления ТА чаще всего используют тестирующий сигнал от внешнего источника тока или напряжения. Для ввода в биообъект тестирующего сигнала применяют электроды различной конструкции, а мощность тестирующего сигнала максимально ограничивают. Дело в том, что тестирующий сигнал при электропунктурных воздействиях оказывает негативное влияние на ТА, соответствующие им ткани, внутренние органы, а также целостный организм (Загрядский В.А., Злоказов В.П. Метрология и электробезопасность при пунктурной электродиагностике/Известия Таганрогского радиотехнического университета. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1998. - С. 68-71).

Наибольшие деструктивные реакции наблюдаются во внутренних органах, связанных с тестируемыми ТА. От электромеханических повреждений в тканях, соответствующих тестируемым ТА, проявляются существенные морфологические последствия, сохраняющиеся до 1,5 месяцев. Обнаружено возникновение кумулятивного эффекта тучных клеток на электропунктурные воздействия. Эти клетки относятся к элементам диффузной эндокринной системы, обладающей как местным, так и общим действием на организм. Они воспринимают информацию о состоянии среды, в которой они локализованы, и осуществляют ответную реакцию, выделяя депонированные в них вещества. Многие нейроны выделяют те же самые биологически активные вещества, что и тучные клетки. Гранулы с этими веществами можно обнаружить в крови, межклеточном веществе, на поверхности соединительной ткани, в оболочках нервов и рецепторных образованиях. Серийное воздействие на тучные клетки, которых всегда много в ТА, электрической энергией при электропунктуре вызывает усиленное накопление в них биологически активных веществ и способствует в какой-то момент лавинообразному выбросу их в кровь и межклеточную жидкость, что часто приводит к серьезным отрицательным последствиям.

Таким образом, очевидно, что медико-биологические и технические характеристики устройства для электропунктуры взаимосвязаны. Однако в большинстве известных устройств и методик вредное воздействие электропунктуры на организм не учитывается, поскольку пришлось бы пойти на ухудшение точности и информативности измерений. С другой стороны, энергетическое воздействие на ТА при электропунктуре привносит погрешность в измерения, поскольку объект измерения является активной нелинейной живой средой, реагирующей на воздействие в виде биологически значимых повреждений.

Известно устройство для оценки биоэлектрической активности ТА (патент РФ 2033749, А 61 В 5/05, 1995, Бюл. 12), включающее генератор стабильного тока и усилитель напряжения, блок обработки информации, два электрода - базовый и измерительный. Измерительный электрод соединен с усилителем, имеет корпус с втулкой и шайбой и подпружиненный металлический щуп, жестко установленный во втулке, которая перемещается вдоль корпуса. Контактная поверхность щупа и торцевая поверхность втулки расположены в одной плоскости, а соотношение их диаметров установлено от 0,8 до 0,5.

Известное устройство позволяет снизить повреждающее электрическое воздействие на организм за счет применения в качестве тестирующего сигнала тока, стабилизированного по амплитуде на достаточно низком уровне, а также применения электродов с относительно большой контактной площадью. Однако вредное воздействие тестирующего электрического тока полностью не устранено.

Известно устройство для оценки биоэлектрической активности ТА (патент США, 5339827, А 61 Н 39/02, 1994 г.), включающее зондирующий электрод и опорный электрод, проводящая поверхность которого в 25 раз превышает площадь конца зондирующего электрода. С последним соединен генератор, формирующий электрические сигналы с высоким содержанием гармонических составляющих. К обоим электродам подключен преобразователь полного сопротивления, измеренного на конце электрода, в частоту.

Наличие высокочастотных составляющих тока в тестирующем сигнале и увеличение площади электродов несколько снижает вредное воздействие электрической энергии на ТА, но не устраняет его полностью.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа известное устройство для оценки биоэлектрической активности ТА "BITA-12-МГ" (В.Г.Макац. Основы акупунктурной биоэнергодиагностики. - Винница, 1991. - С. 73-75).

Известное устройство включает два электрода - измерительный и базовый, которые контактируют с ТА биообъекта, усилители напряжений, фильтр нижних частот и регистрирующий прибор. Кроме того, известное устройство содержит двадцать четыре измерительных электрода, коммутатор входов, аналого-цифровой преобразователь и персональный компьютер.

В известном устройстве не используют внешний источник зондирующего тока, а измеряют ток, генерируемый самим биообъектом, что снижает до минимума повреждающее воздействие на клетки и структуры биообъекта.

Недостатком известного устройства является низкая достоверность результатов измерений при контроле состояния ТА в ходе диагностики, поиска или стимуляции точек, что снижает точность оценки биоэлектрической активности ТА и эффективность терапии. Причинами низкой достоверности полученных результатов являются слабость регистрируемого биоэлектрического сигнала на фоне шумов при отсутствии подачи внешнего электрического напряжения на ТА, а также влияние собственных электрических шумов усилителя, используемого для усиления слабых биосигналов.

Дело в том, что биоэлектрический сигнал по своей структуре является шумовым (случайным) сигналом, который имеет сплошной спектр, а по мощности не превышает 10^-11-10^-14 Вт. Спектр биоэлектрического сигнала принципиально не отличается от спектров собственных шумов электронного усилителя. Поэтому малоэффективными являются в радиотехнике методы выделения и измерения слабых регулярных (детерминированных) сигналов на фоне шумов и помех.

Задачей изобретения является создание такого устройства для оценки биоэлектрической активности ТА, в котором введение новых элементов и связей обеспечило бы выделение и измерение слабого биоэлектрического сигнала от ТА на фоне преобладающих по интенсивности собственных шумов усилителя и других элементов измерительной схемы, что повысит достоверность результатов измерений электросопротивлений различных участков биообъектов без использования тестирующих сигналов от внешних источников электрической энергии.

Поставленная задача решается тем, что в известное устройство для оценки биоэлектрической активности ТА, включающее измерительный и базовый электроды, контактирующие с ТА биообъекта, усилители напряжений, фильтр нижних частот и регистрирующий прибор, дополнительно введены разделительные конденсаторы, дифференциальный усилитель, автоматический переключатель, мультивибратор, балансный смеситель и последовательно соединенные узкополосный усилитель, настроенный на частоту переключения мультивибратора, и синхронный детектор, при этом электроды через разъемы и разделительные конденсаторы соединены со входами дифференциального усилителя, выходы которого соединены с входами усилителей напряжения, выход одного из них соединен с одним входом балансного смесителя, прямой и инверсный выходы другого усилителя соединены через автоматический переключатель с вторым входом балансного смесителя, выходом, соединенным с входом узкополосного усилителя, управляющие входы автоматического переключателя и синхронного детектора соединены с выходами мультивибратора, а выход синхронного детектора через фильтр нижних частот соединен с регистрирующим прибором.

Введение в измерительную схему устройства дифференциального усилителя, автоматического переключателя, мультивибратора, последовательно соединенных, узкополосного усилителя и синхронного детектора, включенных указанным образом, позволяет выделить и измерить шумовой биосигнал, пропорциональный сопротивлению, на фоне более интенсивных собственных шумовых сигналов усилителей, спектр которых перекрывает спектр биосигнала, снимаемого с помощью измерительного и базового электродов, что обеспечивает повышение достоверности результатов измерений электросопротивлений различных участков биообъектов без использования тестирующих сигналов от внешних источников электрической энергии.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства для оценки биоэлектрической активности ТА.

Устройство для оценки биоэлектрической активности ТА включает измерительный 1 и базовый 2 электроды, разъемы 3 и 4, разделительные конденсаторы 5 и 6, дифференциальный усилитель 7, включающий операционные усилители 8 и 9, усилители напряжений 10 и 11, автоматический переключатель 12, мультивибратор 13, балансный смеситель 14, узкополосный усилитель 15, синхронный детектор 16, фильтр нижних частот 17 и регистрирующий прибор 18.

В заявляемом устройстве измерительный 1 и базовый 2 электроды, через разъемы 3 и 4 и разделительные конденсаторы 5 и 6 последовательно соединены со входами дифференциального усилителя 7 через включенные в него операционные усилители 8 и 9. Один выход дифференциального усилителя 7 через усилитель 10 по прямому и инверсному выходам соединен с входами автоматического переключателя 12, выход которого соединен с одним из входов балансного смесителя 14, другой вход которого непосредственно соединен с выходом усилителя 11. Выход балансного смесителя 14 через последовательно соединенные узкополосный усилитель 15, синхронный детектор 16 и фильтр нижних частот 17 подключен к регистрирующему прибору 18. Управляющий вход синхронного детектора 16 и автоматического переключателя 12 соединены с симметричными выходами мультивибратора 13. Разъемы 3 и 4 позволяют пользоваться съемными электродами 1 и 2 различных конструкций.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Как известно, в любой проводящей среде, которая имеет активные электрические потери, возникают тепловые электрические флуктуации - тепловой шум. С помощью измерительного 1 и базового 2 электродов, которые размещают в соответствующих ТА, снимают шумовое напряжение. Согласно уравнению Найквиста квадрат шумового напряжения равняется:



где К = 1,3810^-23 Дж/К - постоянная Больцмана;

f - полоса частот, в которой выделяется шумовой сигнал;

Т - абсолютная температура исследуемого участка биообъекта;

R - электрическое сопротивление этого участка.

Шумовое напряжение через разъемы 3 и 4 и разделительные конденсаторы 5 и 6 поступает на симметричные входы дифференциального усилителя 7. Операционные усилители 8 и 9, входящие в состав дифференциального усилителя 7, усиливают шумовое напряжение и разделяют его на два одинаковых противофазных напряжения. Если входное шумовое напряжение представить в комплексном виде (_ш), то противофазные напряжения на выходах дифференциального усилителя будут иметь вид:

₁ = к_1ш; ₂ = к_2ш, (2)

где k₁=k₂ - коэффициенты усиления сигналов дифференциального усилителя.

Напряжения ₁ и ₂ поступают на входы усилителей 10 и 11 переменного напряжения с полосой пропускания f.

При температуре 309-310 К (36-37^oС) шумовое напряжение от различных участков человеческого организма одного порядка или меньше напряжения собственных шумов усилителей 10 и 11. Поэтому выходные напряжения этих усилителей можно представить в виде суммарных комплексных напряжений





где к₃, и к₄ - коэффициенты усиления усилителей 10 и 11 соответственно;

_ш3 и _ш4 - комплексное напряжение собственных шумов в этих усилителях.

На инверсном выходе усилителя 10 формируется шумовое напряжение:



На входы автоматического переключателя 12 поступают противофазные напряжения Поэтому при непрерывной работе этого переключателя, который управляется прямоугольными напряжениями мультивибратора 13, на один из входов балансного смесителя 14 поочередно поступают напряжения а на другой вход - непрерывно напряжение ₄ с выхода усилителя 11.

При одном положении переключателя 12, как указано на чертеже, на выходе балансного смесителя 14 формируется сигнал с напряжением пропорциональным их произведению:



где S - крутизна преобразования балансного смесителя 14.

В другом противоположном положении переключателя формируется сигнал:



Следует учесть, что собственные шумы усилителей 8, 9, 10 и 11 между собой не коррелированны. Точно также, измеряемое шумовое напряжение _ш не коррелированно с шумами усилителей _ш3 и _ш4. В то же время шумовые сигналы ₁ и ₂ являются коррелированными, поскольку формируются по сути из одного источника шума. Так как произведение некоррелированных сигналов на временном интервале большем периода сигналов равно нулю, то усредненные напряжения сигналов (6) и (7) при противоположных положениях переключателя 12 примут вид:





где t - период (время) прохождения сигнала;

- круговая частота переключения напряжений которая задается параметрами мультивибратора 13.

Временную последовательность усредненных напряжений (8) и (9) можно рассматривать как одно регулярное знакопеременное напряжение, которое изменяется с частотой переключений:



где signsin t - функция, отражающая прямоугольную форму переменного напряжения (+ или - в зависимости от значения t).

Наряду с полезным напряжением (10) из-за конечного времени усреднения t = / на выходе балансного смесителя 14 присутствует и помеха в виде шумового знакопеременного напряжения. Для уменьшения влияния шумового напряжения на регулярный сигнал частоты выходное напряжение балансного смесителя 14 усиливают узкополосным усилителем 15, настроенным на частоту переключений мультивибратора 13. Благодаря узкой полосе пропускания усилителя 15 в основном усиливается знакопеременное напряжение (10), которое выпрямляется синхронным детектором 16, управляемым напряжениями мультивибратора 13. Выпрямленное напряжение сглаживается фильтром 17 нижних частот и принимает вид:



где к₅ - коэффициент усиления узкополосного усилителя 15;

к₆ - коэффициент выпрямления синхронного детектора 16.

Подставляя в выражение (11) значение напряжения из (9), получим:



где = S к₁к₂к₃к₄к₅к₆ - результирующий коэффициент преобразования входного шумового напряжения.

Если в выражение (12) подставить значение из (1), то получим:

U_7/= 4KfTR (13)

При диагностике различных ТА одного пациента можно считать, что температура различных участков его тела приблизительно постоянная (Т=const). Остальные параметры измерительной схемы устройства также выбираются постоянными = const, f = const). Поэтому выходное постоянное напряжение (13) пропорционально сопротивлению исследуемого участка тела пациента:

U₇=S₀R, (14)

где S₀ = 4KfT - крутизна преобразования сопротивления в напряжение [В/Ом].

Постоянное напряжение U₇ поступает на регистрирующий прибор 18, отградуированный в единицах электрического сопротивления или в относительных единицах биоэлектрической активности.

Таким образом, по шумовому напряжению ТА можно измерить их электрическое сопротивление без тестирующих сигналов от внешних источников электрического тока или напряжения и тем самым исключить полностью повреждающее воздействие от зондирования. Благодаря периодическому инвертированию одного из перемножаемых шумовых напряжений к синхронному детектированию переменной составляющей частоты переключений обеспечено выделение и измерение шумового напряжения ТА, которое пропорционально сопротивлению, а по интенсивности одного порядка или меньше собственных шумов измерительной схемы.

Поскольку нет электрических повреждений ТА, то площадь электродов может быть сколь угодно малой. В частности, в качестве электродов могут быть использованы медицинские акупунктурные иглы, электрически подключенные к предложенному устройству. Благодаря заглублению в тело пациента можно измерять не только кожное, т. е. поверхностное сопротивление, но и более глубинное электросопротивление, которое отражает физиологическое состояние внутренних органов и тканей.

В заявляемом устройстве для оценки биоэлектрической активности ТА для измерения кожного сопротивления в качестве измерительного 1 и базового 2 электродов используются электрокардиографические электроды, выпускаемые медицинской промышленностью, например марки mЕ. 443. 101.

Разъемы 3 и 4 выполнены на базе разъемов марки PL-259.

Разделительные конденсаторы 5 и 6 выполнены на базе микросхемы КТА-01098, стандарт IECQ/CECC.

Дифференциальный усилитель 7, включающий операционные усилители 8 и 9, выполнен на двух малошумящих усилителях типа TLC 226 А (изготовитель Texas Instrument), а также усилителях переменного напряжения с дифференциальным выходом (прямым и инверсным) типа AD 8131 VD MATS и коэффициентом усиления 100.

В качестве усилителей напряжения 10 и 11 использованы малошумящие усилители типа TLC 226 А (изготовитель Texas Instrument).

Автоматический переключатель 12 выполнен на полевых транзисторах типа 2П303Д и управляется от мультивибратора 13 с частотой переключения 70 Гц.

Мультивибратор 13 выполнен на базе операционного усилителя ОРА623 DIP/SО8.

В качестве балансного смесителя 14 использована отечественная микросхема ПС501А.

Узкополосный усилитель 15 выполнен на базе операционного усилителя ОРА628 DIP/SО8.

Синхронный детектор 16 выполнен на базе операционного усилителя ОРА622 DIP/SO14.

Фильтр нижних частот 17 выполнен на базе операционного усилителя ОРА628 DIP/SО8.

В качестве регистрирующего прибора 18 применен микроамперметр М903М/1.

Диапазон измеряемых сопротивлений равен от 5-10 Ом до 10 МОм, относительная погрешность не превышает 2,5%.

Для оценки биоэлектрической активности ТА конкретного пациента измерительный 1 и базовый 2 электроды устанавливают на симметричные ТА на теле человека. Полученную величину электропроводности сравнивают с экспериментально полученными калибровочными данными. На основании проведенного сравнения выносят заключение о состоянии исследуемых ТА.