автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Адаптивные цифровые измерители электрического сопротивления биообъектов для диагностики нарушений водно-солевого обмена

НАУЧНО- JfeC ЛЕДОВАТ ЕЛЬСКШ! ИНСТИТУТ

ft 0Ä МЕЩМЩШКОГОПРИБОРОСТРОЕНИЯ

i¡u ■ ' *

На

а иръ£Р.:: рукояаси

V£Bj LPlíli EÁCt-LHl

АДАПТИВНЫЕ ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОГГРОТ 5ТНЛЕ1ГИЯ БИООБЪЕКТОВ ДЛЯ ДИАГНОСТИК НАРУШШЯ ЮДНО- СОЛЕВОГО ОЕ(Ш1А

Специальность 03= îî. 17 - медкцккгкиг приборы и

кзьгарлтель Hfô? о чсте> at

Автореферат диссертации на соискание увдноЛ стеггеки .. , . . кандатата технических паук

Москва - 1993

Работа выполнена на научно-производственном предприятии радиоэлектронной медицинской аппаратуры. • ' •. ' Научный руководитель - кандидат технических наук, старший

нзучннй сотрудник'Тйщэнко А. Г., Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор,

Лауреат Государственной премия СССР Еодьков В. VI

.кандидат технических наук, старший научный сотрудник Гундврос В. П.

Вэдуа^я организация - Научно - исследовательский и лроектиьй институт "Проиприбор" (г. Львов)

Заията состоятся -1993 г. в " '* часов на эаседа

Ш5И специализированного совета Д 098.04.01 в научно-исследователь ском институте медицинского приборостроенга по адресу: 125422, г Москва, ул. Тюжркзевская, 1. -

С диссертацией кояю ознакомиться а библиотеке НИИМЯ.

Автореферат разослав "Ц" *' -<■ '. 1938 года.

Учэный секретарь специализированного ..

совета, кандидат Технических наук,''. -ч . ' ¡1' -К-,

старший научный сотрудник -ф У. 'Попов Е И. :

' -3-ОЫЦДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Валнейшей стороной гомеосгаза живого орга-

<иа является водно-солевой сОмэн, нарушение которого часто приво-* ,

!г к тяжэлш осложнениям, в связи с чем возникает необходимость оезреиэнной диагностики съвпеки я формы его нарутгония. В посл-.-д-& время з изучении водно-солевого обмена все итра стали применять ваэ шютрушкальниэ «отоды, среди которых выгодно отличается био-ввдансоиетриа, обладающая следующими прс-ииускствами; оиератии-сть получения информации; безвредность к возможность «ногокрагно ¡аторять медицинские" исследования не только в лабораторных услови-ко и в клинике;. относительная простота н дешевизна ооответству-фй аппаратуры.

Биоишедансоштрия ухр сегодня позволяет определять многие ха-асгвристики водно-солевого обшиа [13, среди которых следует выявить гематократ и распределение жидкостных секторов организма, ио-эдъзуеиьа а кардиологии, травматологии, акушерстве и др. Следует гиаткть, что по значен«» гематокрита можно оценить такяе величину ровопотери, знание которой необходимо особенно в неотложной хирурга.

Однако успешюз применение бкоимпедансом®грии а клиническся рактике еде решается отсутствием специализированных измерите лая дектрического сопротивления Оиобгектов (ЭС Ю),что,е свою очередь, дермгаает разработку соответсгвуЕвзис медицинских иетодяк. 0 насто-щев. вценя таю» отчетливо проявляется потребность повьмикия адап-■ивности измерителей ЭС ВО, что объясняется следующими обстоятель-:твшш повыдакиеы метродогичаеккх требований к измерителям зс ш, ¡то вызвано иеобходишетьв устранения влияния двградационньм отка-юв ва результат намерения; свиданием зависимости качества функцно-шрования из мертелей ЭС БО от обслуишавдгго персонала, т.е. позы-яэню. уровня автоматизации л тем самым автономности их работы.

Сиойетво адаптивности измерителей ЭС ВО, как и любой системы связано с понятием адаптации, которое в широком смысле слова озна

. чает приспособление системы к возмуаэниям. При зтом возмущающие воз-

\ ■

действия могут возникать как вне измерителя (температура, помехи, напряжение питания и т.д.), так и внутри (изменения режимов работы, номиналов элементов, их естественное старение и т.д.). Одним и; перспективных путей повышения адаптивности измерителей ЭС ВО является введение процедурной избыточности, что позволяет, реалйзовываи их целевую функцию в нестационарных внешней и внутренней средах.

В связи с этим Оьша поставлена задача исследования и разработю адаатиншк измерителей ЭС 330 и создание на их основе средств дл; определении вышеперечисленных характеристик водно-солевого обмена Данйая^работа проводилась в рамках задания ,05.04 Н "Разработан методы и технические средства измерения пассивных электрических характеристик биологических тканей для оценки состояния организма" (М гсс. регистр. 01БИ0043096). " '

Нзлыо работы-является исследование путей построения адаптивны*

цифровых измерителей ЭС БО (Ш1ЭС БО) для диагностики нарушения вод**

ко-солевого' обмена и разработка с их использованием средств, поз-золяюдах определять распределение жидкостных секторов организма,ге-матокрит и величину кровспотери.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- определить, . особенности метода измерения ЭС БО для рассматриваемого класса решаемых задач, с учетом которых провести фуккцио-нальво-струкгурный и метрологический анализ соответствующих технических средств, создающий предпосылки к проектированию серийно пригодных средств е убиенными матрологичоскими свойствами;

- выявить возможные причины нарушения работоспособности ДИЗС БО с учетом которых определить пути повышения их адаптивности;

- разработать и Ессладовать алгоритмы функционирования и струк-нш с хеш ЦИЭС ВО с автоматическими контролем работоспособности, ничгсгаш дйагностироаанивм в компввсащий погреаности, а такие

осиовныэ блоки, позволяйте повысить адаптивность ЦИЭС ВО к .ствюз дестабидизирущих фз;сгороз кзх внешнего, так и внутреннего ксхоядеяия; _

- разработать и исследовать ЦЮС БО, инвариантные к параметра« тового воздействия, а с их пркьаиекиэм - прибор для определенна проделэния дидкостиых секторов организма; »

- исследовать адекватность описания зависимости гоыатокрита от крОЕй различными аппрокс1шасуза!5!«и функцшшя и аьйрать опттяль- .

функцию для/ портативного исполнения средств, с учетом которой работать вопроси, возникавшие при построении адаптивных средств определения гештокрота и величины крсвопотери; Иэтоды исследования. В работе использовались основные положения эрыационво-иамеркхельноа техники, элементы теории графов и тео-

Евроятностк, алгоритмический метод описания функционирования, эойств с использованием операторных формул, а такие регрессиоя-акалмз с пркшкэниеы штодоз вычислений на ЗВД, Научная новина. 1. На основе предлодакной классификационной сх«-гэтодоз ..и сродств иэшренкя 30 ВО определены основные класеиФи-юнныз признаки штода измерения для рассматриваемого класса рейх задач,, с учатрц которых получены дерево функций, обобщенная !с?уркая. схет я систякатизирущая схеиа составляющих результи-¡эй погрзЕшостя функционального ЦИЭС ВО, что позволяет оптимально делить место выполнения функционального преобразования р выя-источники погрешностей. ' * >

2. Обоснована необходимость осуадсталения технического диагиоо-ванияЦИЗС ВО прямого преобразования на основе- принципа "расви эгося ядра" с использованием в качестве "диагностического ядра"

-0- —

•АЦП. Определены пути построения аффективного АЦП -"диагностическо; ядра" без использования образцовых средств преобразования, с учет* которых разработан способ аналого-цифрового преобразования с кон' ролей выходного кода. >.

3. Предложена обладагащя прогнозирующими свойствами классификг ция алгоритмов и структур ЦйЭС БО с автоматической компенсацж погрешности, позволяющая синтезировать измерители . с требуемы» свойствами. " •

■ 4. Ш основе результатов регрессионного анашза зкспериментал! аьас данных зависимости генатокрита от ЭС крови выработаны рекомег дацим по использовании различных аппроксимирующих функций и предлс жакаапткиадьная функция для портативного исполнения средств.

Практическая ценность. 1. Разработаны алгоритмы и структур ЦИЭС БО с автоматическими контроле и и техничаскш диагностирован* ем, позволяющие с малыми аппаратными и временными затратами осj щэствлять достоверный: контроль работоспособности ЦЙЭС £0 и опреде дять его неисправный блок.. ' ' ;,

2. Разработаны структурные схемы АЦП -"диагностического ядра" позволявшие оперативно выявлять недостоверные результаты аналоге цифрового преобразования,"вызванные любым из возможных отказов АЦГ

3. Разработаны структурные схемы ,ЦИЭС ВО, инвариантные к пара метраи тестового воздействия,! для. йэшрения модуля mod Zx,активна Не ¿я-и реактивной Iia Zx составлявших полного ЭС БО Zx.

4. Равкны вопросы определения распределения жидкостных секторе организма и гаиатокркта бйоимпе||анскыы методом, а также величины кр вопотери с помощью гематокршгного метода Г,0.Мэоге, что позволил разработать' структурные схемы соответствуй»« технических средств

5. Разработано такие ответственные блоки ЦЙЭС ВО,' . как . фазе чувствительный детектор, обеспечивающий повывение. точности и бь строд&йстэия .измерения в расширенном диапазоне кастот, и неточна

обраацового напряжения, позволяющий' практически реализовать ЦИЭС Ш с повыаянноа отказоустойчивостью.

реализация и внедрение результатов работы. Результаты, получению в работе, наели применениэ в двух приборах для диагностики на-руаанкй аодно-солэвого обмена, разработанных при непосредственном участии автора: измеритела степени гидратации тканей КСГТ-01 и из-шрителе гематокрита ИГ-01. Серийный внпуск ИСГТ-01 начат на ааводе РЗЦЛ (г.Львов) с 1090 г., а ЙГ-01 - с 1992 г..

Кроме того, результаты работы внедрены в серийных цифровых измерительных приборах ¡Ш31, ©4391/1,2, Ф4892, выпускаемых на ГО ропркбор" (г.Львов) к позволивши получить суммарный экономический аффект только при производстве в размере 254 тыс:руб. .

На защиту выносятся сдадущие положения:

- основные классификационнш признаки метода" измерения ЭС Ш для рассматриваемого класса решаемых задач, ' обобпрняая структурная схема и систематизирующая схема составляспщх результирующей погрешности ЦИЗС БО, а такхз его вероятностный граф возшаных технических состояний;

- решение задачи осучэствлания технического диагностировать ЦИЭС БО прямого преобразования на основе принципа "расширявдзгоея ядра" с использованием в качестве "диагностического ядра" АЩ1;

; - обладающая прогнозирующими свойствам« классификация струкгур ЦйЭС БО с азтоматической компенсацией шгрепностя, а таюкэ результаты синтеза схем ЦИЗС БО, инвариантных. к. влиянию нвинформативкнх параметров тестового воздействия;

- результаты теоретических и эксгервментадьных иесдадоийия зависимости гематокрита от ЭС крови, рекомэидадош по применению различных' аппроксимирующих функций и оптимальная (логарифмическая) функция для портативного исполнения технических средств.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы

■ -в-

докладывались и обсуждались на 8 Всесоюзных, 3 Республиканских и Городской научао-технических. конференциях. . . Т

. ' Публикою. Ш теме диссертации опубликовано 35" р^бот, в той числе 12 авторских свидетельств на изобретения, основные из них приведены в перечне публикаций.

. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения с изложением результатов к выводов, списка литературы из 193 наименований и 4 приложений. Содержи? 141 страницу основного машинописного текста, иллюстрированного 53 рисунками и таблицами. . ; ' . . .,.•

СОДЕРЖАНИЕ РАВОТЫ "

Во, введении сформулированы актуальность и цель работы, определены'основные задачи, требушце решения для достижения поставленной цели, научная новизна и практические результаты, которые выносятся яа задату;

В первой главе рассматриваются электрофизические особенности определения геиатокрпт$ и распределений жидкостных секторов ' организма биоиипедансным мэтодом, определятся основные признаки иетода измерения ЭС Ю для рассматриваемого класса решаемых задач и пути повышения адаптивности измерителей ЭС. БО.

Одним из важнейших диагностических показателей при различных пагодогичаских состояниях организма.человека, сопровождающихся на-рущени^м процентного соотношения между плазмой и эритроцитами крови, является гематокрит. ' В результате исследования литературных данных установлено,. что .по относительному изменение гематокрита при кровопотере в ,соответствии с метсдомТ. 0.Мэоге'можно достаточно достоверно ъ; многих случаях оценить величину кровопотеря. .' * ;.«. . - Анализ ь-япбмнше методой определения гемаздкрита показал, что по сравнении с такими традиционными методами, как гемошпомэтриедския

-е-

Еентрифуяный, биоимпедансный Скондуктоыетрический) метод дает

юхность 'оперативно проводить -анализ цельной крови с поизв^в не, I

югого портативного прибора. В результате рассмотрения злектрофи-

... ' /

гас кит особенностей биоймпедансного метода и различных функций ¡сания описания зависимости гематокрита Нх от удельных ЗС (УЭС) >ви и плааш длд установлено, что наиболее точное приближение в »мок диапазоне значений гематокрита дает функция Бруггекана; •Л- •' 1/Г . • . • "

нх » 100 и - . ],си

ишиенее точное - линейная функция: ,. '

Нх.» А (1- 9^/9«.»), (2)

|Дн Г : коэффициенты, учитывающие влияние на УЭС крови формы процитов и их ориентации по отношению к электрическому поля. При )и функция (2) более проста для схемотехнической реализации, что та для портативного исполнения прибора. ГЬэтоку возникает необ-наягсть поиска других возможностей аппроксимации зависимости >ФС9^,9кр), допускающих простую схемотехническую реализация при юшизыой точности описания этой зависимости.

Другой вакной характеристикой водно-солевого обмена является шределенио «идкостиих секторов организма, что обгясняется паж ШзЯ ролью воды в существования живых организмов. По расположению при и вне клеток вода разделяется на два сектора: анутриклеточ-I и внеклеточный. Нзрупеш'д регуляции.водно-солевого обмена обус-Шгеаит сдает в соотношении сборов и ведет к. тяжелым осложненн-/вплоть до летального исхода. Определение распределения ывдкрот-с секторов организма Оиоиыпедансным штодои, а-отлично от метода ведения югдикаторз.' и® требует введетш в'организм инородных ве-:тв, з том чирлэ радиоактивных. Анализ особенйостёй биоимпёданс-:о метода показал,, что разработке, прибора -дё определения распре--пения жидкостных секторов организма должно предшествовать ревкиие

-V -10- ■ _ '

задач, связанных с выбором эквивалентной электрической схемой ВО

• • . »*

определением типа выделяемого параметра полного ЗС ВО, а также па'

/

раштров гармонического тестового воздействия, подаваемого, на ВО.

* - •

В связи с тем,что Оиоимпедансный метод 'основан на измерзши ■ЗС ВО, в работе рассмотрено современное состояние теоретических исследований и практических разработок измерителей ЭС объектов раз' личной Природы, по результатам которого .построена классификационна! схема. В результате проведенного анализа, с учетом воэмолности повышения достоверности и удобства использования получаемой биоинформации, а'также ограничений по массо-габаритным параметрам соответствующих технических Средств, были определены основные' признак) (свойства) метода измерения ЭС ВО для рассматриваемого класса решаемых задач 121: форма тестового воздействия - синусоидальная; тш ' тестового воздействия - ток; вид измерительного преобразования -прямое кли кзазикомпэнсационное; степень автоматизации - полная; форма выходного сигнала - цифровая.

' Показало, что наличие у измерителей ЭС БО такого свойства, как ' адаптивность позволяет реализовывать их целевую функцию в нестационарной.среде. Также, как и в биологических системах, свойство адаптивности технических систем достигается благодаря наличию избыточности. В работе,рассмотрена л проанализирована избыточность,вводя-мая при проектировании технических систем,, что позволило обоснован необходимость ; реализации у адаптивных измерителей ЭС БО избыточны} процедур контроля работоспособности, технического диагностированш и автоматической компенсации погрешности. Показано, что автомату ческая компенсация погрешности позволяет устранять влияние на результат измерения деградационных Ьтиазов; возникасаих в результат« воздействия воэцущающих факторов измеритель, и должна, осуществляться на основе принципа инвариантности (двухканалькссти) акад. ЕБ.Штрова. .

На основе проведенного анализа сформулирована расширенная поста-овка задач, решаемых в" диссертационной работе.

Ва второй гдаво проводится функционально-структурный и метроло-ичэский анализ средств измерения ЗС ЕО д.пя диагностики нарушений одно-солевого обмена, а такие анализ возможных их отказов.

В работе с позиций систомной концепции рассмотрена Оиотехничес-зя система исследования физиологических свойств ЕО на основе изме-ония ' ЗС, что позволило классифицировать средства измерения ЭС ак разновидность медицинских информационно-диагностических систем МНДС), целевой фушэдиЯ которшс является диагностика состояния и арушний водно-солевого обмена ВО.

В результате проведенного функционально-структурного анализа * %

акой ШДС получены ее дерево функций и обобщенная структурная схе а. Показано, что специфика ШШС связана с наличием в ее структура леков формирования электрического тестового воздействия, съема и ервкшюго преобразования биоинформащш, совокупность которых мовдп ассматривать как цифровой нэмэрител!. ЭС ВО (Ц(ГЗС ВО), реализующий ператор ÎZx-*N(Zx. 1)>, где Hz. il» {(¡od 2х, arg ix, Zv., Im Zx). ополнение оператора H(Zx. Ш функциональном преобразованиям озволяет получать цифровые значения медико-технического параметра г, что' расширяет сферы возможного применения такого функционально-3 ЦИЭС ЕО.

На основе анализа особенностей построения средств контроля ра-jToçnocoflHOCTH и технического диагностирования 13ЩС, различающихся арактером распределения' функгай» мзлду oôaçara и локальными средст-1ми, показано, что для.обеспечения функциональной полноты к авто-эмнссти как ЦЙЗС ВО, так и других подсистем 131ДС целесообразно ву~ )лнение максюаланого числа onepaïutô в локальных средствах..

С учетом полученных классификационных признаков метода изморе-га ЭС ГО проведен ф^кционально-структурныя анализ Щ!ЭС £0 прямого

-12- % преобразования, а результате которого получены его дерево функ1щй

обобщенная структурная схема и операторная формула (0®) алгоритм

/

функционирования:

: "tZx—N(Zx. l)ï«={Zx—ÙxHÙx—Ux. iHUx. i'-»Nx(,Zx. 1» В результате проведенного анализа возможностей реализации функционального преобразования получены ОФ алгоритмов работы функциональных ЦИЭС ЕО при аналоговом, цифровом и аналого-цифровом функциональном преобразовании:

<èРх)Ы¿х-ÙxHÙk— Ux. iHUx. l(Zx. 1)—Ux(Px)){Ux-»Nx> m—NCPx)>»dx-*ÙxHÛx-l-Ux. iHUx. t(Zx. D—N(Px)î ÎZX—M(Px)j=<Zx—Ùx>{Ûx-»Ux. iHUx. l-»rHxHNx(Zx. l)-N(Px)>, выработаны рекомендации по toc применению, a также синтезирован ря; структурных схем функциональных ЦИЗС ЕО.

■С учетоц'структурной организации ЦИЗС БО , а также его специфики как объекта контроля исследованы основные факторы, влияющие и; точное^^-е характеристики ЦИЗС ЕО, что позволило поручить система-гизирушую схему- различных составляющих результирующей погрешает! Д)ЕС ВО, в качестве признаков которой использованы: источник воз-ншшозэкиа погрешности, причина его возникновения, частотный cnetcri погрешностей, зависимость от значения ЭС БО, шето возникновения j рчжкм. работы ycrportctca С 2), Шдучени соотношения для каждой и; сгстазляйдих рээультируифй погрешности ЦИЭС ЕО, которые позволяй производить последовательный анализ влияния каждого из факторов и, результат- измерения. . • . . «

На основе результатов метрологического анализа рассмотрен пере ^if'ib и классы всех возможных отказов функциональных ЦИЗС БО, а так же условия и признаки их-возникновения, что позволило, получить ве роятностный граф возможных тохшпеских состояний, даидий наглядно представление о его возможных состояниях и позвЬляещиЯ формализо вать решеши задачи осуществления' контроля работоспособности и тех

' • . . -13- "

нического диагностирована ЦИЭС ВО.

Третья глаза посвяшзна вопросам разработки и исследования алгоритмов и структурных схем ЦИЭС БО с использованием избыточных процедур контроля работоспособности, технического диагностирования и автоматической компенсации погрешности.

На основе результатов ттрологтзаюго анализа разработаны алгоритм и структурная схема ЦИЭС БО с автоматическим контролем работоспособности, а таюго редоны вопросы выбора рациональных до-

ф

пусков контроле. ,

Разработаны и исследованы алгоритм'и структурная схема ЦИЭС БО с техническим диагностированием. Показано, что техническое диагностирование ЦИЭС БО прямого преобразования необходимо осуществлять на основе принципа "расширяющегося ядра"- с использованием в качестве "диагностического ядра" АЦП, что позволяет при незначительных аппаратурных затратах оперативно локализовать неисправный блок ЦИЭС БО.

Разработали структурные схемы ЛЩК'диагностического ядра" [3-5], пойьанеиие достоверности результатов аналого-цифрового пресбразопа-ния ¡соторых осуществляется за счет введения самопроверяошсти к.' основе алгоритмической и струютуркой избыточности. Ш основе анали за известных систем тестового и функционального гсзнтроля дгя организации самоконтроля АЦП предложена скстема'функционально-тестовоп: контроля [3], которая позволяет осуществлять »»нтроль без применения образцовый-средств как аналого-цифрового, так цифро-аналогового преобразования. Разработаны алгоритм и обовтнизя. структурная еш.:п АЦП с самоконтролем и осуществлен выбор тестового сигнала, исполь зуемогс при проведении контроля., С их применением синтезированы структурные схемы .'ЛИ с самоконтроле к саыодиагностированмем 12), позволявшие ' с незначительней аш;?1[.-ч:;рньаги и временными затратами получать результаты аналогО"П«?';ч/В<эгс) преобразования ■ о '¡повышенной достоверностью,. а тащкг определять неисправный узел АЦП.

: -14-* " .

Предложен способ и устройство аналого-цифрового преобразования с контролем выходного кода С 4] , который позволяет выявлять, недостоверные результаты аналого-цифрового преобразования, вызванные любым па возможных отказов АИД. На основе этого способа разработан также алгоритм 1сонтроля результатов аналого-цифрового преобразования с диагностированием вида отказа С5], при этом средние временные затраты С на идентификацию технического состояния АЦП определяются из вираж кия:

С=^+(ТпрН)(Рв.о+Рп.о)+21 (Рд. о+Ри. с), . где t и Тпр - время такта и цикла аналого-цифрового преобразования, а Рв. о, Рп, о, Рд.о и Ри. с - соответственно вероятности внезапного, пе ре к жавд гася, деградационного отказов и исправного состояния.

.. В работе осуществлен синтез ЦИЗС ЕО с автоматической компенсацией погрешности на основе принята инвариантности (двухканальнос-ги) с использованием морфологического анализа

На основе анализа процедуры автоматической компенсации погрешности получены 00 для рраменного и пространственного разделения ос-

4 '

иовного и дополнительного каналов ЦИЭС ЕО, операторы которых служат ыорфологлческими признаками для анализа: форма реализации операторов (аналоговая, цифровая, комСшшрованная); вид компексирушэй операции (прямая, обратная); полнота охвата компенсируемых блоков ЦИЭС ГО (полная, неполная); место реализации компенсирующей операции.

В результате анализа получен ряд алгоритмов и структур ЦЙЭС БО с автоматической компенсацией погрешности для временного, и пространственного разделения основного и дополнительного каналов. В работе исследованы их основные свойства, к которым отнесены: компенсируемая погрешность, точность, компенсации и объем вводимой аппаратурной избыточности. Результаты анализа для пространственного разделения каналов представлены в табл. 1, в которой отражены также различные варианты выполнения аналоговой операции компенсации Ок. а.

Табл. 1

Операторные формулы и структуры ЦИЭС БО г автоматической^компенсацией погрешности-

Пул

{Ах. 1-«-Ых. 1> (ЦЧ АЦП)

тг

во

(¿X)

{Ах—Ах. 1)

4Тртз-^АТВ>

{Ах. 1-**Ах. 1>

(у, ад

Р1. Р4

РЗ

{Ах. 1—Ах. 1> (АЧ АЦП)

{?тз-»-Атв> {гх—Ая. 1> Ок. а {Ах. 1>

I

БО (¿X)

{¿Х-~АХ>}-»

{АХ^АХ. 1}

к

{01'.. а-ц>

{Пв-»Атв>

Ых. 1

{Рте—Атв} Цк-*Ах. ¡} Ок. а-ц

! I

БО

(¿х)

{¿х-Ах}

{Ах—Их. 1>

{Ртв ->Кть>

{Ок.ц>

Мх. 1

{Ргв-^Н(Ртв)} 1> ОК.Ц

и А - комплексный й скалярный аналоговое сигналы; Ртв - сигнал, гапорциональный неинфоркативкому параметру тестового воэделс-(ия, подаваемого на БО; Ок. а, Ок. а-ц, ок. ц - аналоговый, анало-)-цифровой и цифровой компенсирующие операторы: ?1,...,Р4 - реали-щии опэратора Ок. а на входе (Р1) и выхода (Р2) аналоговых блоков, >жду ними (РЗ), а также непосрественно в блоках (Г4); У-усилитель, ^преобразователь функциональный, АЧ и ЦЧ АЦП -аналоговая и цифро-1Я части АЦП.

к БО

» _ I.

! ¡т-ЗШч^!

I пкт )—-

пэс ю

ген

Ли

Си

|их

ЦЙ:31П(Л

ДоНЧСо

Цо

Г

АЦП

М(2х)

ВЦИ

ГСН - генератор синусоидального напряжения, ПНГ - преобразователь напряжйние-ток, Д;; и.До - измерительный и опорный детекторы, Фи и Со - измерительный и опорный фильтры, БЦИ - блок шаровой индикации.

Рис.1

■'•■ -16--

Эвристическая ценность результатов проведенного -анализа ваклкгчаетс

в возможности последующего синтеза ЦКЭС £0 с требуемыми свойствам

- посредством выбора структуры из' соответствующей позиция таблица

Результаты такого синтеза будут рассмотрены далее.

В четвертой главе приводятся основные результаты исследований

разработки ЦИЗС ВО и функциональных ЦИЭС ВО для диагностики наруоэ

ний водно-солевого обмена, в которых для повышения их адаптивност;

к действию дестабализирунцих факторов используется автоматически

компенсация погрешности. - ' - ' ■ • / •

& основе операторной формулы и структуры п. Z табл. 1 синтеаиро-

вана структурная схема ЦИЭС БО с 2-х электродным соединением. ВО ДЛ1 ■ . ■ *. измерения модуля Zx» modZx (рис.1), дополнительный канал в которо)

реализован с помощью опорных амплитудного детектора До и фильтра ф С б]. Разработанный на основе этой схемы портативный ЦИЭС БО с мальв потреблением мощности (не более 100 мВт) на ОУ КР140 УД1203 имел: тестовое воздействие с амплитудой тока. - 2 мкА и частотой - 5 кГц; погрешность измерения Zx - не более 1 Z; чувствительность выходногс кода N( Zx) к изменениям амплитуды Um генератора ГСН в диапазоне измерения ЭС От Q до 199,9 кОм не более 2 кОц/Е

Для случаев, когда информативными параметрами являются активна;

Ra Zx и реактивная in Zx составляющие полного ЭС БО, - разработан!

* - . _ *

структурные схемы ЦИЭС ВО как прямого, так и квазикомпенсационногс преобразования, на которш получены авторские свидетельства не изобретения.' Выделение составляющих Re Zx и Im Zx в ЦИЭС ВО осуществляется с помощью фазочувсхвительных детекторов (0ЧД), метрологические - характеристики которых фактически определят результирующую-точность ЦИЭС ВО. -".В 171 локмано, что хорошее соотношение точности к быстродействия ©ЧД обеспечивается с.помощью устройств выбор ' ки-хранения. Разработан «ЭД CS] указанного типа, обеспечивающий повышение точности и быстродействия измерения в расширенной диапазоне

Частот за счет исключения требования минимизации импульса выборки. Экспериментальные исследования предложенного ФЧД показали, что в диапазон? частот 0,1 ,...,10 кГц и амплитуд 0,01 ,..., 1 В измеряема напряжений погрешность детектирования не превысила 0,2 X.

Диализ электрофизических особенностей определения распределения жидкостных секторов организма биоимпадаясным методом позволил обосновать выбор эквивалентной электрической схемы ЕО (рис.4,а).элементы которой имев! наглядный физический смысл: Якл и Ржл - соответственно ЭС клеточной я внеклеточной жидкостей,а См эквивалентная ем

»

косм шиСрая клеток. Модуль полного ЭС эквивалентной схемы определяется выражением:

гх» йэ /^1+^3-См, где Яа ■ йсл- 1?вкл/йигИ?вкл. При низких частотах тестового воздействия (Гн < 50 кГц) имеет место значительное различие в электропроводности жидких сред и клеток организма (1/и) н - см л> Вкл, Явкл), поэтому х! » !?вкд. фи высоких » частотах (Гв> ЮСкГц) клетки ухе не являются диэлектриками (1А0 в См а 0) и 7х * Из. Откуда отношение 1х / - (Йсл+Явкл) /Якл позволяет сулить о соотношении жидкостных секторов организма.

На основе результатов экспериментальных исследований, проведенных на лабораторных животных, обоснованы требования к функциональному ЦИЭС БО для определения распределен«!? жидкостных секторов организма: частоты Ги=»5кГц и Гв=500кГц; 1п>»100 мкА; диапазоны измерения 1х и IX -(0,... ,2000) Ом, а гх/гх - (1.....3). В работе, получерны структурные схемы функциональны* ЦИЭС БО с пространственным и временным разделением низко- и высокочастотных каналов. На рис. 4.0-представлен^ структурная схема функционального ЦИЭС БО с 4-х электродной схемэй соединения ЕО и пространственным разделением низко- и высокочастотного канадог Г 9), кагаьй из которых построен в соответствии сс\ схемой, предетапл-з.чнол на рис. 1. Особенность» схемы яв-

Канад низкой частоты (1х у

йкл Си _,

Ивкл а)

ПЯТ

до

П

—V

ВО — ИУ Г ш АЦПО ЗЦИО

Уфв -»" Ди

АЦПв

БЩ1В

Канал высокой частоты )

ИУ - измерительный усилите ль, Уав - узкополосньй фильтр высокой частоты, Ш -'масштабный преобразователь. -

- б) Рис. 2

Табл. 2

фикция линейная логарифмическая Бруггемана иг Нх«»100С 1- ( д л. /9^/1) ]

Нх-А( 1-2«,/£>«*) Нх-А 1п 5^/9«»

Ш.6 А ^ -(12,6313,80) 43.91*1,55 . _ , -

5« 0,01(56,еэ±1в,38) 0,01(90,18*2,40) • 0,01(Яв, 6443.56),

Г - - 1,5910.03

■ 13,72 66,80 309,60

•• к ячейке.

. кондуктоштричаской,

•

[ПЭС во

ЛГА ЛгЭ

■^Нут

Л

м

АЦП

ЕЦЯ

ШС БО - преобразователь ЭС Ю (рис. 1), ЛгА - логарифматор аналоговый, ЛгЭ - логарифмирующий элемент, ИТ - источник тока, УТ - усилитель термокомпенсации, и - мультиплексор.

Рис. 3

■ • • ; -19- ■

ляется пропускание через ЕО смешанного сигнала токов высокой и низкой частот, что' позволяет-" оперативно получать достоверную диагностическую 'информацию из-гд снижения влияния поляризаиионни/ явлений на результат измерения. Эта схема положена в основу серийного прибора "Измерителя степени гидратации тканей КСГТ-01", обесио чиваэдий измерение Тл с погрешностью не более 2х-157.Дх/2х-2()г.

В работе проведены экспериментальные-исследования зависимости гематокрита от ЭС крови с использованием з качестве референтного м-тода центрифужного. С учетом результатов экспериментальных исследований предлсаэио использовать для описания зависимости Нх=1(длд,д, логарифмическую функцию вида С ЮТ:

. ' НХ=А'1п д1!Л/§ал ', (3)

■ где козфициент А=1/Г. На основе полученных экспериментальных данных был проведен регрессионный анализ с использованием аппроксимирующих функций (1), (2) и (3), результаты Которого . представлены в табл.2. !1з полученных значений Г-кри-»рия гиок'ра ? для каждой из расс^т рзнных функций следует, что с точки зрения адекватности оппсаш;;'. наилучший результат дает функция Еруггеыана (1), а наихудший - ли иейная (2). Показано,- что с учетом критерия простоты схем /г-

кой реализации аппроксикшрувдэй функции оптимальным являет.:я использование логарифмической функции (3). »

В результате проведенного анализа метрологических характеристик функционального ФЕС БО для' определения гегатокротз, рассматриваемого как прибор косвенного измерения, получено аналитическое вира женке для его реэультг.рушрп 'погреииости :

йМх*(А/КГ/'дКт-КА/2л)¿¿х+ьЩ-Тп г^'Кг + Д фп+ Да-ц,

где Кг - -геометрическая постоянная «¿кдуктометрическсй ячейки (КЯ); ¿Кг, дфп, йа-ц - погрешности-.■■КН,.,11ЭС БО, функционального преобразователя и АЦП; к - коэффициент.' представляющий собой квантиль порядка РД/2 нормированного распределения {.для доверительной веро-

-20- -• Л*

ятности Рд«0,9.5 - к»1,9б); Оа и Од - дисперсии коэффициентов регрессии А ид „^ - . ,

. - ' 0

Разработаны структурные схемы функциональных ЦИЭС ВО для определения гематокрита с аналоговой и аналого-цифровой реализацией логарифмической функции (3) и автоматической компенсацией погрешности в соответствии с п. п. 1 (признаки Р1 и Р4),2табд. 1. 0дна из них представлена на рис.5 СИЗ и,положения в основу серийного прибора "Измерителя "гематокрита ИГ-01", позволяющего определять значение г'ема-токрта в диапазоне (20-80)Х о погрешность!) не более 1,51.

Подученные функциональные ЦИЭС ЕО для определения гематокрита * создают предпосылки к разработке, прибора для оценки величины крово-, потери в соответствии с гематокритным методом Г. 0.1/Ьоге; Показано, что величина кровопотери ЕК достаточно корректно молет быто определена в соответствии с выражением: - г ЕК* У0ВДд-Р (Цц-Н6)/Цд, .

где УОЦКд - должный (до кровопотери) удельный объем циркулирующей крови, Р-масса тела, Нд и Н$ - должный и фактический гематокрит. С учетом этого выражения проработаны вопросы схемотехнической реализации метода Р.0.1Ьэгв на основе подученных функциональных ЩОС БО для определения гематокрита. - - : • . .

Для повышения . отказоустойчивости цифровых измерителей разработан ряд источников образцового напряжения, являвдихся обязательна и важнейшим элементом любого цифрового измерительного прибора, Повышение отказоустойчивости достигается, путем применения схемной избыточности, направленной на сохранение их работоспособности при возникновении короткого замыкания в нагрузке. Структурные схемы отказоустойчивых источников защищены авторскими свидетельствами на изобретения. Использование. их в серийных цифровых . измерительных приборах Ф4881, Ф4891/1.2, С4392 показаловысоку» эффективность как в условиях производства, так и при эксплуатации.

. " - -21-

I т

В заключении сформулированы основные результаты работа

В приложениях приведены программы расчетов на ЭЕИ параметров функций (1), (2) и (3), аппроксимирующих зависимость гематокрита от ЭС крови; акты о клинических испытаниях приборов и внедрении результатов диссертационных исследований,а.также фотографии приборок.

Основные результаты работы и выводы:

1. Проведен сравнительный анализ методов и средств намерения ЭС, представлена - их классификация и определен оптимальный набор классификационных признаков метода измерения ЭС "БО Для решаемого класса задач. С учетом полученных классификационных признаков проведен функционально-структурный и метрологический анализ функционального ЦИЭС ЕО, в результате которого получены его дерево функций, обобщенная структура и , систематизирующая схема составляющих результирующей погрешности, что позволяет оптимально определить место выполнения функционального преобразования и выявить источники погрешностей.

2. Шказаке, что повышение здаптимости ЦИЭС Ю необходимо осуществить путем автоматизации избыточных процедур контроля работоспособности, технического диагностирования и компенсации погрешности измерения.

3. Разработаны и исследованы алгоритмы и структурные схемы ЦИЭС БО с автоматическими контролем работоспособности и техническим диагностированием,, ресены вопросы построения эффективного "диагностического ядра" на основа АЦП.

4. Построена * классификация возмо.таых алгоритмов и структурных схем ЦИЭС БО с. автомагичг-асой компенсацией пегреяяоетп и исследованы их ■ основные свойства, Гдорабщани и исследованы алгоритмы и структурные -схемы Ц1!ЭС :тн;шр::-лк,;ные к параметрам тестового воздействия, а также структурное схемы фазочувств'ительного детектора и

источника образцового напряжения, позволяющие практически реализовать ЦИЗС ЕО с улучшенными метрологическими характеристиками и повышенной отказоустойчивость*). •

5. По результатам рассмотрения особенностей определения распре-деле щи жидкостных секторов организма сформулированы требования и разработаны структурные схемы ЦИЭС ВО с пространственным и временным разделением низко- и высокочастотного каналов, обладавшие попы-' венной адаптивностью к действ™ дестабилизирующих ■ факторов.

S. На основе результатов экспериментальных исследований зависимости геыатокрита от ЗС крови проведен регрессионный анализ, выработаны рекомендации по использованию различных аппроксимирующих функций и выбрана оптимальная функция для портативного исполнения средств, с учетом которой разработаны и исследованы структурны© схемы адаптивных средств для определения гематокрота.

7. Исследованы особенности определения величины кровопотери с с помощью гематокритного метода F. D. КЬоге' и проработаны вопросы схемотехнической реализации метода на основе разработанных адаптивных средств для определения гематакрита.

0. Разработаны, экспериментально исследованы, внедрены а производство и эксплуатацию "Измеритель степени гидратации биотканей ИСГГ-Ql", "Измеритель гематокрита ИГ-01", цифровые измерительные приборы Ф4381, $1891/1,2 И Ф4892. .

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Соколов С. Е., Ступницкий И. «., • Ревой Е/ йздосевич. O.A.' 'Перспективы применения нмпеданоометрии для диагностики нарушений водно-солевого обмена и микроциркулации в педиаТрии.-В кн. : Акту-авышэ проблемы охраны здоровья матери и - ребенка и демографии в ГССР: Тез. докл. Респ. конф. Тбилиси, 1938, с.' 90-02. s Т

2. Рево Ю. R., Тищекко А. Г. . Зункционально-структурный к- мэтроло-Т'тесккй анализ цифровых пресбразователей электрического сопротивления tiiioo'iiöKrba /''Разработка и кг.;аш"вско<з яркчвнеши радаоэлвкг-:л гздагааяетев аппаратуры: Научи,тр./ВНИИШ.М. 1988, с. 76-88. ь'.о5лоа 3. л ; ;1нко;:ш1чук 0. Л.\Пречистенский И К. . Рева •'. Ii, ffe-;;;-;opus лопрссы разработки АЦП и "АН с контролем я диагностикой. -В •и.; Да&сваа информационно-измерт-ельная техника, ifexpya. со, научи, грудов. Jwn. 14. Пенза, 1984,. с. 52-53.

• 4. A.c. 1292160. СССР Ж™ ШЗ М i/10. Способ аналога-цифрой; го ппчоОрайоиания с г.з::трслем ■гыходного ксяа и АЦП с контролем выходного кода/ ¡йЕРево. Опубл. а Б. Ш, 1937, !! 7.

5. Рено Ю. В. Организация контроля работоспособности и диагностик-? типа отказа АЦП, - Техника средств связи, серил ОТ 1993, N 6, с. 73-78.

6. i с. 1367933 СССР MKJ1 А81 В 5/D5. Устройство для измерения электрического сопротивления биотканей / Я ü -Гадупяк, Ю. В. Ре во,

0. Е. Соколов, Н.П. Шибря. Опубл. в Б. И. , 1988. N3.

7. йтколайчуг. 0. JL , Рево & Л ЯРмзркт* лъяыз фа00чуаС7з;п-»;.м;»;-.> йь-щяшгвли. - Измерения. Контроль. Автоматизация. 1973, я 6/Zi.

О. 26---12.

8. A.c. 711574 СССР ffiii Н 03 К 3/04. Синхронный детектир 0. Л Циколайчук, Ю. ЕРезо. Спубл. в Е. II , 1383, N 3.

9. А. с. 1708298 СССР, MK..I А 61 В 5/05. Устройство для опр*д*л* • кия степени гидратации биообъектов/ Тикенко А. Г., Рево а В., Гадупяк K.M. , Соколов с. Е. опубл. р ЕИ. , 1392, ii 4.

10. .Тиодгяко А.'Г. j Рево ¡О.В., Задоромиый й. U., Зйдссевич O.A. ife дико-технические1'"аспекты определения геиатокритного числа по зле1ст-ропроводпости кроаи. - 2Л?д:тц;?"::таа 'техника.- 1989, вып.-4, с. 3-7.

11. 4. с. 14.68499 СССР i'l'.ll Л Ol i; г/05. Устройство для измерения электрического сопротивления Спотканей/ ¡0. В. Рево, С. Е. Соколов.

А. К. Стуцко, А. Г. Тищзнко.. Опубл. в Б.Д , 1389,-N 12.