Методы и технические средства для оценки электрических свойств биологических объектов

Мирина, Татьяна Владимировна

Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)

автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Методы и технические средства для оценки электрических свойств биологических объектов

кандидата технических наук: Мирина, Татьяна Владимировна
город: Уфа
год: 2006
специальность ВАК РФ: 05.11.16
цена: 450 рублей

Диссертация по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам на тему «Методы и технические средства для оценки электрических свойств биологических объектов»

Автореферат диссертации по теме "Методы и технические средства для оценки электрических свойств биологических объектов"

На правах рукописи

МИРИНА Татьяна Владимировна

МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

(Показатели, измерительные операции, функциональные узлы)

Специальность 05.11.16 «Информационно-измерительные и управляющее системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2006

Работа выполнена в Уфимском государственном авиационном техническом университете на кафедре «Информационно - измерительной техники»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Фетисов Владимир Станиславович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Надеев Альмансур Измаилович

кандидат технических наук, доцент Бакусов Леонид Михайлович

Ведущее предприятие: Самарский государственный

аэрокосмический университет

Защита состоится «__»_2006 г. в_часов на заседании диссертационного совета Д 212.288.02 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12, в актовом зале 1 корпуса УГАТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан «_»_2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, проф.

Г.Н. Утляков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

^лектоические параметры и свойства многих обь-исследованы. На их основе создавав неживой природы достаточш хор физических величин, широ-ны многочисленные сенсоры и датчик Р т того

что элек-

КО применяемые в измср^еяьной ^ Э е^льта ^^ ^ трические сигналы легко при получении информа-

элекфоники. Поэтому одной из основных те^ Р > ^^

ции об интересующих параметрах или ^ обработеой.

ких объектах обычно имеют плохие ^^^^^то^сш мости. Это в определенной степени ^^^^ний их в ответ п„, ^Гх—Гпсихическими фа^ора-

на внешние возд— фшт > ^ шршетры биолоГического

данного организма. сигналов в основном используются

При этом в качестве информационных «имювв^ биологической ткани колебания электрического потенциала "ВД — нбио< или

(БТ) (электрокардиография, элегсфоэнцефало^аф^э^^ ^Ф^ ^

колебания электрического -про—^^^Л^ш). сокочастотного электрического тока, протекающего ч Р локальных

Информационная значимость электрическищ^о ис-зон БО, а также электрические свойства^изучены недостато ^

пользуемые методы получения

сопротивления и разности потенциалов сной^ах

ходимо определить требования, ^Т^ьные узлы,

средств для реализации таких измерений, ^^ ге^чсст. средства,

отвечающие этим требованиям, и создать на их основе техническ-¿^а-

отвечающие этим Ф и„те_есующую информацию. РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ позволяющие получать интересующую инч> у БИБЛИОТЕКА

С.-Петербург ОЭ 2ОО£акт02>5

Делыо данной работы является исследование возможностей и путей построения технических средств для получения информации об электрических свойствах локальных зон БТ, которые будут отличаться лучшей воспроизводимостью результатов измерений и расширенным объемом получаемой информации, характеризующей состояние организма в моменты выполнения измерительных операций.

Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи;

У Систематизированы сведения об электрических свойствах биологических объектов и способах их оценки.

Разработаны оригинальные методы оценки электрических свойств БТ, позволяющие получить дополнительную информацию об ее электрических свойствах и характеристиках.

Исследованы особенности и технические возможности функциональных узлов электроники, с помощью которых можно реализовать предложенные методы получения информации об электрических свойствах локальных зон БТ.

У Экспериментально проверена справедливость предложений по методам получения дополнительного объема информации об электрических свойствах локальных зон БТ и выполнена качественная оценка параметров и характеристик, получаемых при использовании разработанных функциональных узлов.

Научная новизна результатов работы:

1. Предложено величину раздражения БТ и необходимую для этого длительность воздействия оценивать величиной электрической энергии, необходимой для возбуждения БТ.

2. Предложено оценивать энергетические свойства локальных зон БТ, рассматривая ее вместе с электродами как генератор электрической энергии. Разработаны подходы к построению соответствующих измерительных устройств и их основные структуры (патенты РФ № 2152776, № 2190994).

3. Предложено при оценке электрических свойств БТ использовать режим ее кратковременного замыкания на малое электрическое сопротивление с оценкой спектра тока, протекающего в цепи, а также режим измерения электрического сопротивления БТ при кратковременном воздействии на нее постоянной электрической мощностью.

4. Получены результаты количественных оценок электрических свойств БТ в предложенных режимах измерений при выполнении предложенной совокупности измерительных операций.

5. Разработаны функциональные узлы для обеспечения режима короткого замыкания участка БТ и измерения тока, протекающего через нее, а также подходы к исследованиям измерительных электродов, работающих в разных электрических режимах.

Практическую значимость имеют:

1. Результаты оценки электрических сигналов, регистрируемых в локаль-

ных зонах на БТ в различных электрических режимах.

2. Методики проведения измерительных операций, обоснованная последовательность их чередования и рекомендации по конкретным количественным значениям времен и интенсивностей воздействия.

3. Предложенный режим оценки электрического сопротивления БТ, который имеет лучшую определенность и термодинамическую воспроизводимость по сравнению с используемыми в настоящее время.

4. Разработанные структуры устройств и систем и схемы их функциональных узлов.

Внедрение. Задачи, поставленные и решенные в данной работе, включены в тематику следующих НИР: «Измерительные генераторы заданной мгновенной электрической мощности» (грант Минобрнауки РФ 2002 г.); «Создание информационной системы нового типа для оперативного получения информации о психофизиологическом состоянии военнослужащих и операторов ответственных установок" (программа сотрудничества Минобрнауки и Минобороны РФ 2002-2003 гг.). Результаты работы используются в учебном процессе и при изучении дисциплины «Технические методы диагностических исследований и лечебных воздействий», что подтверждено соответствующими документами.

Методы исследований. Оценка электрических свойств БТ проведена с использованием знаний, полученных в биологии, нейробиологии, медицине. Основные результаты получены с помощью положений электротехники, теории электрических цепей и электроники. При исследовании электронных функциональных узлов использовано моделирование, выполненное с помощью пакетов Micro-Cap v.7.0, Maple v.9.0. Анализ устойчивости преобразователя «ток - напряжение» (77777) при работе с БТ проведен с использованием элементов теории автоматического регулирования. При оценке электродов использованы элементы теории электрохимических процессов. Экспериментальные исследования проведены как с помощью серийно выпускаемых приборов, так и с помощью специальных технических средств, разработанных с участием автора.

Апробация работы. Основные вопросы диссертации докладывались и обсуждались на Межгосударственной конференции «Методы и средства измерений механических параметров в системах контроля и управления» (Пенза, 1994 г.); международной конференции «Мера 94» (Москва, 1994 г.); VII, VIII, IX, XI, XVI НТК «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Крым, 1995 г., Гурзуф, 1996 г, 1997 г., 1999 г. Судак, 2002 г.); Международной научно-практической конференции «Измерительно-информационные технологии в здравоохранении» (С. Пб, 1995 г.); Всероссийской НТК «Методы и средства измерения в системах контроля и управления» (Пенза, 2001 г.); НТК «Датчик 2001» (Судак, 2001 г.); Международной НТК «Информационно-измерительные и управляющие системы» (Самара, 2005 г.)

На защиту выносятся.

1. Результаты систематизации информации об электрических свойствах БТ.

2. Предложения по оценке электрических свойств локальных зон БТ, возможные подходы к проведению измерений и построению соответствующих измерительных систем.

3. Результаты исследований по получению информации путем использования совокупности измерительных операций, различающихся электрическими режимами БТ.

4. Схемы построения и результаты исследований функциональных узлов, которые необходимы для реализации предложенных структур измерительных систем и выполнения соответствующих измерительных операций.

5. Результаты экспериментальных исследований электрических сигналов, характеризующих электрические свойства БТ при различных режимах измерений.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав основного текста, заключения, списка литературы из 121 наименования, восьми приложений. Общий объем 195 страниц. В работе имеются 46 иллюстраций и 3 таблицы.

Публикации. Основные положения, выводы и практические результаты изложены в 21 статье в журналах, 15 материалах конференций и тезисах докладов; 6 - технических отчетах по НИР. На оригинальные технические решения получено 2 патента на изобретения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполненной научной работы, охарактеризовано состояние дел в этой области, сформулированы цель и задачи исследования, приведены научные результаты, выносимые на защиту, указана их научная новизна и практическая ценность.

В первой главе проведена систематизация информации об электрических свойствах БТ. Показано, что с электрической точки зрения объект, имеющий биологическую природу, является энергозависимым, нелинейным и нестационарным. Его параметры и характеристики зависят как от предыстории, так и от уровня и характера внешнего воздействия, сопровождающего процесс выполнения измерительной операции. Сделана попытка на основе закономерностей, известных в биологии и физиологии, объяснить причины появления разности потенциалов между зонами на БТ. Отмечено, что каждая клетка считается источником электрической энергии, который имеет размеры до десятка микрометров. Приведены некоторые сведения о параметрах и работе клеток, касающиеся интересующих электрических процессов. Сделано предположение, что электрический заряд распределен неравномерно по поверхности мембран клеток и в результате соединения совокупности автономных микроисточников электрической энергии образуется разность потенциалов между зонами на БТ,

которая может быть зарегистрирована с помощью технических средств.

Кроме того, разность потенциалов могут создавать полупроницаемые мембраны, имеющиеся в организме и разделяющие объемы жидкостей с разными концентрациями ионов. Их значения будут зависеть от проницаемости мембраны для каждого типа ионов, состава жидкостей и концентраций отдельных ионов, температуры, разности давлений, которая в свою очередь будет зависеть от скорости движения жидкостей.

Разность потенциалов также возникает вследствие разности температур между отдельными зонами организма, падений напряжения на отдельных участках, созданных протекающими внутренними токами, в том числе и теплового происхождения. Она может возникать в результате взаимодействия движущейся крови с геомагнитным полем, а также наводиться переменной составляющей геомагнитного поля в тканях организма. Функционирование клеток (особенпо пейсмекерных), мышц, органов сопровождается изменениями потенциалов, регистрируемых на поверхности организма. Кроме того, БО располагается в атмосферном электростатическом поле, что создает падение напряжения на нем и, как следствие, электрический ток через него, который оценивается значениями порядка 10"6 мкА/м.

Разность потенциалов, которая может иметь существенное значение, появляется в результате взаимодействия БТ с измерительными электродами. Причем в случае наличия электрического тока через электроды значение ее может существенно изменяться.

Сделан вывод о том, что разность потенциалов, регистрируемая на БТ, является многофакгорным явлением, затрудняющим получение однозначных выводов о причинах ее появления. Ее изменения несут большой объем информации о состоянии организма, качестве функционирования отдельных органов и систем и параметрах микрокосмоса, в котором находится организм. В отдельных случаях она позволяет достаточно хорошо оценить функционирование отдельных органов и систем (электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография).

В ключе электрических явлений рассмотрен процесс биоэлектрической активности при возбуждении клетки. Показано, что для целей получения информации может быть использован закон полярного раздражения. Сущность его в том, что в момент подключения источника постоянного напряжения возбуждение в клетках нерва или мышц возникает только под катодом, а в момент отключения только под анодом.

Для повышения объективности, улучшения однозначности и воспроизводимости величину раздражения и длительность его воздействия на БТ предложено оценивать величиной электрической энергии А = ич-1 и вместо кривой, характеризующей появление возбуждения с координатами «ток - время» (кривая Гоор-вега-Вейса) строить кривую «электрическая мощность воздействия - время»,

Преимущество такого подхода заключается в том, что уровень воздействия будет строго известным для любого объекта и хорошо повторяемым. При этом в БО будет рассеиваться в виде теплоты неизменное количество энергии, вне зависимости от того, какие у него электрические параметры. Эти предложения должны повысить достоверность получаемой информации.

Рассмотрена концепция энергетического подхода к построению устройств, предназначенных для получения информации об электрических свойствах БТ, получаемой при введении в объект внешней электрической энергии.

Показана некорректность получения измерительной информации об энергозависимых объектах, когда в процессе ее получения вводится разная электрическая мощность и энергия. Обосновано, что при проведении измерительных операций должно вводиться одинаковое количество энергии вне зависимости от индивидуальных параметров БО. Только при учете этого условия будут иметься предпосылки для получения однозначной информации о свойствах и параметрах организма.

Показано, что для объектов, в которых установление определенного теплового состояния идет достаточно быстро, при получении информации целесообразно использовать электрические измерительные цепи, которые обеспечивают неизменное мгновенное значение мощности, рассеиваемой в объекте. Дия объектов с большой постоянной времени установления можно применять режимы, при которых обеспечивается неизменность постоянной средней мощности воздействия,

Приведены требования к измерительным цепям, обеспечивающим неизменное значение рассеиваемой в БО электрической мощности. Показано, что если БО имеет эквивалентную схему многоэлементного двухполюсника и параметры нескольких элементов теплозависимы, то даже в режиме заданной электрической мощности электрического воздействия на объект проблематично получить однозначную информацию о его свойствах, в том числе и в случаях использования воздействий с разными частотами. Это есть следствие того, что из-за наличия реактивных элементов, мощности, рассеиваемые в каждой ячейке эквивалентной схемы двухполюсного объекта, будут изменяться не пропорционально изменению частоты. Устранить этот недостаток пока не представляется возможным.

Дана общая характеристика основных функциональных узлов, необходимых для получения информации, достаточно полно характеризующей свойства и состояние БО, а также рассмотрены требования, предъявляемые к таким узлам.

Во второй главе приведены результаты исследований вопросов построения технических средств, предназначенных для оценки мощностных параметров БТ и нахождению способов их измерения, пригодных для практического использования. В известной литературе вопросы оценки мощностных параметров БО и возможные подходы к этому ранее не ставились. Поэтому выполнена

работа по разработке наиболее рациональных методов, которые позволили бы получить интересующую информацию. Установлено, что для оценки мощност-ных параметров БТ могут быть применены: метод непосредственной оценки отдаваемой максимальной мощности; косвенный метод оценки мощностных параметров; метод разновременного уравновешивания отдаваемой мощности.

Разработаны укрупненные структуры преобразователей, которые позволяют реализовать разработанные методы. В методе непосредственной оценки БТ замыкается на управляемое электрическое сопротивление, равное тому значению, при котором БТ в нагрузку отдается максимальная мощность, этот момент фиксируется и оценивается значение мощности, рассеиваемой в нагрузке. Установка оптимального значения сопротивления нагрузки и слежения за его изменениями производится автоматически. Разработаны две структурные схемы, в которых автоматически устанавливается оптимальное значение сопротивления нагрузки, при котором рассеивается максимальная мощность.

Показано, что на начальных этапах исследований, пока не получен достаточно большой объем информации о мощностных параметрах БО, целесообразно использовать косвенный метод. Разработана структурная схема системы, позволяющая реализовать этот метод. Метод заключается в том, что измеряют разность потенциалов на БТ в режиме холостого хода и электрический ток в цепи при замыкании накоротко участка БТ, затем расчетным путем получают максимальную мощность, которую способна отдать в нагрузку БТ.

Предложен также метод, названный методом разновременного уравновешивания мощности. Он является разновидностью косвенного метода. Сущность его заключается в том, что значение энергии, отобранной от БТ в цикле выполнения измерительной операции оценки мощности, восполняется во втором цикле, в котором эта энергия вводится в БО от внешнего источника.

Значение выполненных исследований в том, что в результате их проведения стали ясны методы оценки максимальной электрической мощности, которая характеризует участок БТ, и в том, какие структуры целесообразно использовать при разработке соответствующих измерительных устройств. Сделан вывод о том, что на начальном этапе изучения проблемы оценки электрической мощности, имеющейся у БТ целесообразно использовать косвенный метод, при котором измеряется разность потенциалов в режиме естественного состояния БТ и ток ее короткого замыкания.

В третьей главе с целью получения представлений о требованиях, которые должны предъявляться к отдельным функциональным узлам при проектировании соответствующей измерительной аппаратуры, проведены экспериментальные исследования электрических сигналов, получаемых при использовании совокупности измерительных операций, предложенных при непосредственном участии автора в коллективе, в котором выполняются исследования. Они были проведены последовательно друг за другом в течение малых промежутков вре-

мени, оцениваемых миллисекундами - десятками миллисекунд. В течение их состояние БО практически не изменяется, хотя он относится к числу нестационарных. В качестве основных базовых режимов использовались режимы: холостого хода, короткого замыкания, воздействия на БТ импульсом постоянной электрической мощности с положительной или отрицательной полярностью напряжения на измерительном электроде, короткого замыкания БТ после воздействия электрическим импульсом, холостого хода после окончания режима короткого замыкания.

Из анализа сигналов, полученных при малом усилии механического воздействия на локальную зону (слабое касание поверхности) и постоянным импульсом мощности с положительной полярностью напряжения на измерительном электроде (рисунок 1), и при механическом воздействии на БО с силой порядка 0,098 Н и постоянным импульсом мощности с отрицательной полярностью напряжения на электроде (рисунок 2), сделаны следующие выводы.

Разность потенциалов 1; токи короткого замыкания 2,4; ток при воздействии электрической мощностью положительной полярности 3; восстановление разности потенциалов 5

Рисунок 1 - Изменение электрических сигналов, в предлагаемых электрических режимах при отсутствии механического воздействия на БТ

При отсутствии внешнего воздействия в отдельных локальных зонах наблюдаются следующие друг за другом пачки колебаний (участок 1 рисунок 1), напоминающих искаженную синусоиду. Между пачками также идут высокочастотные колебания с амплитудой в 6-7 раз меньшей. Частота колебаний составила 650-750 Гц, длительность порядка 6-7 мс, интервал между пачками 4 мс. Эти параметры вариабельны. Установлено, что после короткого замыкания электродов при их размыкании наблюдается скачок разности потенциалов на Б'Г и процесс восстановления исходного значения. Он идет по закону, близкому к экспоненциальному (участок 5 рисунок 1). На кривую переходного процесса наложены высокочастотные колебания, близкие по форме к тем, что

наблюдались в спокойном режиме.

Разность потенциалов 1; токи короткого замыкания 2, 4; ток при воздействии элсприче-ской мощностью положительной полярности 3; восстановление разности потенциалов 5

Рисунок 2 - Изменение электрических сигналов, в предлагаемых электрических режимах при механическом воздействии на БТ

При механическом воздействии на БТ (рисунок 2) соотношение амплитуд колебаний в пачке и в интервале между ними уменьшается до 2-3 раз, а форма и параметры колебаний существенно изменяются. Кроме этого на потенциал зоны накладываются низкочастотные колебания, по частоте близкие к 50 Гц. Так как исследования проводились при малых длительностях (порядка 50 - 100 мс) низкочастотные и инфрачастотные колебания, несущие информацию о психических процессах, не выявились. Признано целесообразным оценивать постоянную составляющую разности потенциалов для оценки электрических свойств БО. При этом установлено, что после внешних кратковременных воздействий она не всегда возвращается к исходному первоначальному значению. '

Проведены оценочные исследования тока короткого замыкания БТ (участок 2, 4 рисунок 1, рисунок 2). Установлено, что при малой длительности короткого замыкания электрический ток содержит постоянную и переменную составляющие. Форма колебаний тока существенно отличается от формы колебаний напряжения. Она существенно отличается от тех колебаний, которые в какой-то степени напоминают гармонические. После внешнего энергетического воздействия электрический ток возвращается к установившемуся значению по экспоненциальному закону (или близкому к нему) (участок 4 рисунок 1, рисунок 2). Причем переменные колебания проявляются после окончания основной часта процесса установления. Форма их меняется несущественно по сравнению с формой колебаний до проведения воздействия. Зарегистрированные токи находились в пределах от сотых - десятых долей микроампер до десятков микроампер в импульсе после внешнего энергетического воздействия Признано це-

лесообразньш в качестве информационного параметра, несущего информацию об электрических свойствах БТ, использовать постоянную составляющую электрического тока.

Информация также содержится в постоянной времени изменения среза импульса установления тока, в колебаниях тока после завершения основной части стадии установления, в немонотонности кривой установления тока.

Проведено исследование сигналов, появляющихся в случаях кратковременного воздействия на БТ постоянной заданной электрической мощностью (участок 3 рисунок 1, рисунок 2). Выводы сделаны на основе регистрации изменений напряжения, обеспечивающего требуемое значение постоянной мощности. Установлено, что напряжения импульсов могут существенно различаться при положительной и отрицательной полярностях. Причем их значения различны в разных локальных зонах. Соотношение между напряжениями при разных полярностях менялись в пределах 1-1,5 раз. На «крыше» импульсов наблюдаются колебания. В разных зонах наблюдается лучшая временная стабильность при положительных или отрицательных напряжениях, что является важным информационным фактором. Информация также содержится в параметрах фронта, среза и «крыши» импульса. Сделан вывод, что, исходя из сегодняшних знаний, целесообразно использовать информацию о значении электрического сопротивления, определенного в режиме заданной электрической мощности, и о разности сопротивлений при разной полярности напряжения.

Рассмотрена возможность получения информации о состоянии локальных зон с помощью нового подхода. В основе его лежит явление увеличения тока короткого замыкания (в десятки и более раз) в отдельных «заинтересованных» зонах при периодическом воздействии на них импульсами положительной полярности. Дано гипотетическое объяснение этого явления на основе закона полярного раздражения.

тудно- и фазочастотных характеристик системы «жидкость - измерительный электрод» при быстроизменяющихся сигналах; свойств при наличии напряжения поляризации; амплитудно- и фазочастотных характеристик при протекании через электроды электрического тока. Предложены структуры измерительных установок для качественных исследований свойств электродов в жидкости при высокочастотном сигнале. Значимость этой части исследований в том, что разработаны подходы к оценке свойств электродов, работающих в различных электрических режимах, которые могут существенно исказить результаты, получаемые при исследовании БТ.

Приведены результаты исследования принципов построения функциональных узлов на базе ПТН, обеспечивающих режим короткого замыкания подключаемого к ним БО. Сформулированы основные требования, предъявляемые к ним, из которых основными являются малое стабильное входное сопротивление в широком диапазоне частот, стабильный коэффициент преобразования, и малая длительность переходных процессов.

В таблице 1 сведены некоторые схемы разработанных и исследованных ПТН. Таблица 1

Продолжение таблицы 1

VT3@—

DAI R3

VT4

|та I («г

VTS

RIOl

Э-

SVD2

VTS

RH ||Rf3

o-E

С помощью пакета Micro-Cap v 7.0 проведено моделирование схем ПТН и получены характеристики динамических свойств ПТН при использовании различных микросхем, выпускаемых промышленностью. Результаты моделирования систематизированы. Сделаны выводы относительно рациональности применения конкретных технических решений.

Проведена оценка устойчивости ПТН, выполненного на основе ОУ с параллельной обратной связью, вход которого подключен к участку БТ, обобщенное эквивалентное сопротивление которой 20рг зависит от ее состояния (рисунок 3).

I *-орг

»•П*2

«¡-floe

Уеых

эквивалентное сопротивление биологической ткани

Рисунок 3 - Преобразователь «ток - напряжение»

Установлено, что ПТН может потерять устойчивость при работе с БО при определенных значениях его параметров. Для оценки устойчивости скорректированного ОУ при разных значениях параметров эквивалентной схемы БТ получено трансцендентное уравнение, характеризующее дополнительный фазовый сдвиг, вносимый параметрами БТ:

(рр - агс^т^ -агс^ атхь

где (рр- аргумент коэффициента /7; а-

Ri+K

Rl+R2. Roc ; n =R2C2.

Rl+Roc

Из численного решения уравнения с помощью пакета Maple v9.0 найдены условия, при которых устойчивость будет сохраняться. Эти условия представлены трехмерными графиками, некоторые из которых показаны на

рисунке 4 (а - а = /(]?„ Д2), б - ^ = /(Л,, а>), в - <рр = /(/?2, ©)).

Рисунок 4 - Графики, характеризующие устойчивость схемы в зависимости от параметров элементов эквивалентной схемы и частоты

Результаты позволили найти максимальное значение сопротивления Яос, при котором сохраняется устойчивость при подключении к БО с определенными электрическими параметрами. Установлено, что при сопротивлении Кос, равном или меньшем 10 кОм, обеспечивается устойчивость при работе с большинством БО, параметры которых приведены в литературных источниках. При малом значении сопротивления Я2 (менее 100 Ом) входное сопротивление ПТН следует увеличить путем включения последовательно с входом дополнительного сопротивления. Для гарантированного обеспечения устойчивости значение его должно находиться в пределах 2-6 кОм.

В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований электрических свойств БТ, которые проявляются при периодическом воздействии мощностью на БТ с определенной частотой и коротком замыкании ее на промежутки между воздействиями. Для этого выполнено обоснование выбора приборов и установки для неавтоматизированного исследования электрических свойств. При исследованиях была применена оригинальная установка, разработанная с участием автора. Структура ее показана на рисунке 5.

Рисунок 5 - Структура экспериментальной установки

Она обеспечивала чередующиеся с задаваемой частотой режимы воздействия на БО электрической мощностью и замыкания накоротко измерительных электродов. Приведены результаты оценки ее метрологических характеристик.

Рассмотрены переходные процессы изменений падения напряжения на БТ при разных значениях электрической мощности с целью определения того оп-

тимального значения, при котором результаты будут наиболее информативными. Сделан вывод о том, что рассеиваемая электрическая мощность на разных локальных зонах БТ и значение падения напряжения на ней мало коррелированны между собой. Установлено, что длительность импульса воздействующей электрической мощности целесообразно брать не менее 2-4 мс, а значение мощности на уровне 0,4-1 мВт. Типовые картины установления электрического тока при чередующихся воздействиях импульсами электрической мощностью и коротком замыкании БТ имеют вид, показанный на рисунке 6.

Рисунок б - Типовые кривые измерений тока через замкнутые измерительные электроды при замыкании после предварительного воздействия фиксированной мощностью

Наблюдались монотонное изменение (рисунок 3, а) и немонотонности в кривых установления тока в отдельных зонах (рисунок 3, б, в), и своеобразный ступенчатый переходной процесс установления (рисунок 3, г, д). Дано гипотетическое объяснение этих явлений и высказаны предположения об их информационной значимости. Экспериментальные данные о параметрах переходных процессов, наблюдавшихся после достаточно длительного периодического воздействия на БТ импульсами электрической мощности и замыкании ее накоротко, сведены в две таблицы.

Представленный материал является обобщением тех результатов, которые были получены с непосредственным участием автора, начиная с 1994 года по настоящее время. Их значимость в том, что они расширили научную базу знаний об электрических свойствах БТ и их проявлениях в области малых времен, а также о методах и технических средствах получения информации о состоянии локальных зон БТ. Эта информация необходима для проектирования информационно-измерительных систем соответствующего назначения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Предложено в качестве информационного параметра, характеризующего состояние БТ, использовать электрическую мощность. Разработаны структуры измерительных устройств для ее оценки. Обосновано, что на начальном этапе исследований мощносгаых параметров целесообразно применять косвенный метод, при котором измеряются электрическое напряжение в режиме холостого хода и электрический ток при замыкании электродов установленных на БТ на малое электрическое сопротивление, а значение мощности определять расчет-

ным путем.

2. Предложено информацию о состоянии БО, которая характеризуется его сопротивлениями или проводимостями получать в режиме, при котором воздействующая на БО электрическая мощность остается неизменной. Установлено, что в этом режиме электрические значения тока и напряжения, а также параметры переходных процессов установления сигнала и восстановления исходного состояния различаются в разных локальных зонах на БТ, что характеризует их состояние.

3. Проведены оценочные исследования электрического тока, протекающего в цепи при замыкании на малое сопротивление электродов, установленных на БТ. Установлено, что в его составе в некоторых случаях имеется постоянная составляющая и имеются переменные колебания даже при отсутствии у зоны предыстории в виде электрического воздействия. После воздействия одиночным импульсом постоянной электрической мощностью с длительностью, лежащей в диапазоне до десятка миллисекунд, электрический ток короткозамк-нутых электродов имеет форму импульса со срезом, напоминающим экспоненту, на которую часто накладываются колебания на среднем и конечном ее участке. Все это несет информацию об электрических свойствах данной локальной зоны БО.

4. Установлены наиболее рациональные последовательности измерительных операций, которые дают расширенный объем информации. Проведены оценочные исследования параметров сигналов при работе в предложенных режимах при малой длительности измерительных операций (до 100 мс). Установлено, что в зависимости от состояния локальной зоны БО, значения электрических сопротивлений при воздействии одинаковой мощностью с разной полярностью напряжения могут различаться до 1,5 раз и более.

5. Предложены структуры установок для проведения исследований электрических свойств электродов, контактирующих с БТ и работающих: в разных электрических режимах малой их длительности.

6. Проведены исследования технических возможностей функциональных узлов электроники, которые обеспечивают замыкание электродов на малое электрическое сопротивление и преобразуют в напряжение малые токи БО. Получены оценки параметров переходных процессов при использовании различных типов ОУ и разработаны рекомендации по обеспечению устойчивости при работе с БО.

7. Экспериментально исследованы электрические сигналы при периодическом воздействии на локальную зону БО электрическими импульсами мощности с положительной полярностью напряжения и коротком замыканием электродов в паузах между импульсами. Проведена качественная и количественная оценки полученных результатов и сделана попытка оценки их информационной значимости.

Основные результаты опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК и других изданиях:

1. Принципы построения и структуры электронных измерительных генераторов заданной электрической мощности./Гусев В.Г., Зеленое С.А., Мирина Т.В. и др .//Измерительная техника, 1999, №4, с.26-31.

2. Измерительные электроды для биологии и медициныЛусев В.Г., Мирина Т.В.//Измерительная техника, 2002, №7, с.34-38.

3. Элементы и узлы измерительных генераторов заданной электрической мощности./Гусев В.Г., Демин А.Ю., Мирина Т.В.//Измерительная техника,

2003, №7, с.34-38.

4. Особенности построения устройств для локального квазирезонансного воздействия на биоорганизм./Гусев В.Г., Мирина Т.В.//Датчики и системы,

2004, №6 с.51-54.

5. Многофункциональная информационно-измерительная система для медицинской диагностики./Гусев В.Г., Дудов O.A., Мирина Т.В. и др.//Вестник УГАТУ, 2004, Т5, №2. с.104-109.

6. Измерительные операции и цепи в многофункциональной диагностической системе./Гусев В.Г., Мирина Т.В., Фетисов B.C., Демин АЛО., Дудов О.А.//Медицинская техника, 2004, № 1, с. 16-19.

7. Измерительные цепи с генераторами заданной мощности./Гусев В.Г., Мирина Т.В., Валеев В.Т.//Измерительная техника, 2005, № 8, с. 50-52.

8. Патент РФ №2152776. Б.И. №20,2000. Устройство для измерения электрических параметров биологических тканей./Гусев В.Г., Мирин Н.В., Мирина Т.В.

10. Патент РФ №2190994. Б.И. №29,2002. Способ и устройство для измерения параметров биологической ткани/Гусев В.Г., Мирин Н.В., Мирина Т.В.

12. Энергетическая определенность возмущения в объекте при выполнении операций измерения электрических параметров./Гусев В.Г., Мирина Т.В.//Сборник материалов Всероссийской НТК. Пенза: ПГУ, 2001, с.108-109.

13. Методы измерения мощностных свойств источников электрической энергии имеющих биологическую природу ./Гусев В.Г., Мирина Т.В.// Материалы НТК Датчик 2001. М.: МГИЭМ, 2001, с.132-133.

15. Совокупность измерительных операций при оценке электрических свойств биологических тканей./Гусев В.Г., Мирина Т.В., Демин А.Ю., Дудов О.А.//Метрология (приложение к НТЖ "Измерительная техника"). № 12, 2004, с. 27-38.

16. Энергетический подход к получению измерительной информа-ции./Гусев В.Г., Мулик A.B., Мирина Т.В.//Материалы международной НТК "Информационно-измерительные и управляющие систем 005). Са-

мара, 2005, с. 172-174.

Мирина Татьяна Владимировна

Методы и технические средства для оценки электрических свойств биологических объектов

(Показатели, измерительные операции функциональные узлы)

Специальность 05.11.16 «Информационно-измерительные и управляющее системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 30.10.06. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,0. Усл.кр.-отт. 1,0. Уч.-изд. л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ № 530. Бесплатно.

ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12

1233 61

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Мирина, Татьяна Владимировна

Перечень использованных сокращений.

Введение.

Глава 1 Энергетические свойства биологических тканей.

1.1 Электрические свойства биологических тканей в статическом режиме.

1.2 Биоэлектрическая активность при возбуждении клеток.

1.3 Вопросы построения устройств для измерения электрических параметров биологических объектов.

Выводы по главе.

Глава 2 Мощностные параметры биологических тканей как источник информации о ее состоянии.

2.1 Метод непосредственной оценки максимальной электрической мощности, характеризующей электрические свойства биологической ткани.

2.2 Косвенный метод оценки максимальной электрической мощности, отдаваемой в нагрузку биологической тканью.

2.3 Метод разновременного уравновешивания измеряемой максимальной электрической мощности.

2.4 Вопросы реализации устройств для измерения максимальной мощности, отдаваемой в нагрузку биологической тканью.

Выводы по главе.

Глава 3 Информационные электрические сигналы, полученные в различных режимах.

3.1 Общие подходы получения информации об электрических свойствах биологической ткани.

3.2 Информационные сигналы, характеризующие разность потенциалов и ее изменения в режиме холостого хода.

3.3 Информационные сигналы, характеризующие режим короткого замыкания биологической ткани.

3.4 Информационные сигналы, характеризующие режим воздействия на биологическую ткань заданной электрической мощностью.

3.5 Некоторые рекомендации к вопросам получения информации об электрических свойствах биологической ткани.

Выводы главе. .ту.

Глава 4 Элементы и функциональные узлы устройств используемых для получения информации об электрических свойствах биологической ткани.

4.1 Особенности электродов, работающих в разных электрических режимах в течение малых промежутков времени.

4.2 Способы оценки параметров электродов для многорежимных устройств.

4.3 Требования к функциональным узлам, которые должны обеспечивать режим короткого замыкания.

4.4 Функциональные узлы, обеспечивающие режим короткого замыкания биологической ткани.

4.5 Устойчивость преобразователей «ток-напряжение», преобразующих электрические токи биологической объекта.

4.6 Исследование процесса восстановления выходного напряжения в режиме короткого замыкания в предложенных схемах.

4.7 Анализ данных полученных при моделировании схем и решений уравнений.

Выводы по главе.

Глава 5 Экспериментальные исследования электрических свойств биологической ткани и оценка информационной значимости измеряемых параметров.

5.1 Приборы, установки и методология экспериментальных исследований.

5.2 Экспериментальные исследования электрических параметров локальных зон биологической ткани при воздействии электрической мощностью.

5.3 Экспериментальные исследования электрических свойств локальных зон биологической ткани при замыкании накоротко измерительных электродов и малом времени предварительного энергетического воздействия.

5.4 Экспериментальные исследования электрических свойств локальных зон биологической ткани при замыкании измерительных электродов на малый промежуток времени.

Выводы по главе.

Введение 2006 год, диссертация по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, Мирина, Татьяна Владимировна

Диагностика состояния организма есть сложная задача, которая требует больших временных и материальных затрат. Причем она не всегда имеет однозначное решение и получаемые результаты в значительной степени субъективны. Для полного обследования пациента помещают в стационар, и обследование ведут в течение 15-24 дней. При этом проводятся лабораторные анализы и многочисленные функциональные исследования. Только путем осмысливания их высококвалифицированными специалистами удается оценить состояние пациента и выявить у него наличие тех или иных заболеваний.

Информацию о состоянии организма получают с помощью электрофизиологических исследований, применений фотометрических, люминометрических, рефлектометрических, поляриметрических, электрохимических, ультразвуковых методов, исследований давления, параметров газового состава дыхания, методов ядерной медицины и др.

Современное диагностическое и терапевтическое оборудование - это сложные, дорогостоящие, но не всегда достаточно эффективные и производительные приборы и системы. Для его применения требуется наличие технического персонала, который в состоянии обеспечить уверенную работу и получение достоверной информации. Полное всестороннее исследование состояния организма пока не может быть массовым из-за экономического состояния общества. Оно доступно для ограниченного числа его членов и, несмотря на все достижения в этой области, результаты его не всегда позволяют сделать правильные выводы и принять обоснованные решения по методике и практике лечения.

Несмотря на все успехи в области создания технических средств, предназначенных для проведения медицинских исследований, дающих информацию о состоянии организма, процесс создания методов и технических средств получения информации нельзя считать законченным. Разработка новых и совершенствование существующих методов получения информации о состоянии организма, его функциональных систем, органов и подсистем управления имеет большое социальное значение. Здоровье человека -наивысшая ценность, и все, что помогает его поддерживать, актуально.

В 70-80 годах среди научного общества были чрезвычайно популярны вопросы проведения диагностики по состоянию локальных зон кожного покрова (точек акупунктуры) и воздействия на них с целью терапии (рефлексотерапия). Интенсивно изучался и осмысливался опыт акупунктурной терапии, накопленный народной медициной Тибета и в юго-восточной Азии. Разрабатывались и использовались технические средства для оценки состояния зон на живой материи, основанные на самых разных принципах, вплоть до использования тепловидения, эффекта Кирлиан, поглощения и отражения сверхвысокочастотного излучения. Получили значительное распространение методы диагностики, разработанные в Японии (Накатани), во Франции (Niboe), в Германии (Voll), в СССР (Нечушкин) и др. В отдельные периоды интерес к ним и приборному и терапевтическому обеспечению резко гипертрофированно увеличивался. Так, например, это было с методикой Сарчука (Симферополь). В другие периоды интерес резко падал, как это характерно для настоящего времени. Снизился даже интерес к методике Фолля (Voll), которая, по мнению автора и его последователей, позволяет судить о состоянии органов и функциональных систем, связанных с этими зонами, по электрическим параметрам определенных зон кожного покрова и по их изменениям с течением времени. Видимо, из-за недостаточной доказанности отдельных теоретических положений и субъективностей толкований результатов, получаемых с помощью электрических методов при воздействии на организм полей, веществ, бактерий, штаммов, нозодов, методика Фолля не признана Всемирной организацией здравоохранения. И это вполне понятно, так как при использовании применяемых приборов результаты крайне нестабильны и после их статистической обработки нельзя сделать однозначные выводы.

В то же время, не вызывают сомнения факты наличия аномальных свойств определенных зон на биологической ткани. Общепризнано, что зоны Захарьина-Геда достаточно информативны. В медицине хорошо известна диагностика заболеваний по болевым ощущениям, появляющимся в определенных зонах. Точечные воздействия на определенные локальные зоны биологической ткани при иглоукалывании, лазерном, тепловом, акустическом и механическом воздействии дают хорошие результаты. Судя по литературе и опираясь на мнение специалистов, можно утверждать, что в некоторых случаях, особенно в невропатологии, такие приемы терапии могут иметь преимущества перед другими аллопатическими методами лечения.

Считая общепризнанной информацию о диагностическом значении точек акупунктуры, имеющихся на кожном покрове [112, 15, 18, 96, 19], и учитывая доказанным наличие аномалий электрических свойств локальных зон [97, 108, 83], необходимо развивать методы оценки их состояния. Несмотря на многочисленные работы по этому вопросу [113,1, 108], подходы к их оценке не отличаются большим разнообразием [21]. Используется или оценка постоянной составляющей разности потенциалов между интересующей зоной и областью, взятой за базовую, или оценка ее электрического сопротивления или проводимости. Причем при измерении электрического сопротивления или проводимости используются измерительные цепи, которые обеспечивают неизменное значение электрического тока через объект или постоянное падение напряжения на нем. Известны также измерительные цепи с неопределенным внутренним сопротивлением относительно объекта измерений. Получены результаты измерений, как на постоянном, так и на переменном токе. Причем на переменном токе иногда оценивалась емкостная составляющая сопротивления.

Но, из-за большой вариабельности и плохой повторяемости результатов, плохого теоретического обоснования их информативности, большого количества получаемой информации, и отсутствия автоматизированных средств запоминания и обработки получаемых результатов широкого применения подобные технические средства не получили. С появлением доступных средств вычислительной техники были созданы автоматизированные приборы, в которых измерительная цепь работает на постоянном токе и в программном обеспечении заложена методика Фолля. Но из-за большой стоимости такие технические средства пока используются в небольшом количестве, и требуется серьезная работа по их верификации.

Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы: параметры и характеристики отдельных локальных зон биологической ткани отражают состояние определенных функциональных систем и органов; электрические свойства локальных зон биологической ткани существенно различаются и несут информацию о связанных с ними органах и функциональных системах; неясны многие вопросы информационной значимости электрических параметров отдельных локальных зон биологической ткани; используемые в настоящее время методы и подходы не создают предпосылок для получения воспроизводимой информации об электрических свойствах локальных зон биологической ткани; необходимо провести исследования по развитию методов и технических средств, которые позволили бы получать расширенный объем информации об электрических свойствах локальных зон биологической ткани; ^ оценить информационную значимость полученных результатов. Диагностика состояния организма по его электрическим параметрам выглядит весьма привлекательной вследствие неинвазивности операций получения информации, простоты и доступности технических средств, небольшой их стоимости, возможности получения ранней информации об изменениях в гомеостазе организма. Огромный объем информации, получаемый при измерении электрических параметров, может быть использован для более точной диагностики изменений, возникающих в организме.

Эти утверждения базируются на том, что во всех биохимических процессах, происходящих в организме, всегда присутствует электрическая составляющая, и все реакции, идущие в организме, сопровождаются электрическими и магнитными явлениями, которые должны быть очень информативны. Но они пока не используются ввиду малых уровней электрических сигналов и плохой разработанности вопросов получения достоверной информации из малых электрических сигналов, подверженных влиянию артефактов, наводок и помех. Причем эта задача междисциплинарная и многоплановая. Без развития методов и создания технических средств получения информации об электрических свойствах локальных зон биологической ткани ни биологи, ни медики не в состоянии установить те закономерности, которые характерны для тех или иных заболеваний. На специалистах технического профиля лежит ответственность за вопросы получения воспроизводимых сигналов, которые меняются при изменениях в тех или иных органах и системах и подсистемах организма. Они же должны разрабатывать технические средства, которые позволят зафиксировать и количественно оценить изменения электрических свойств. При наличии таких технических средств биологи и медики сумеют объяснить причинно-следственную связь между электрическими параметрами и характеристиками и наиболее вероятными причинами, вызвавшими их изменения.

На кафедре «Информационно-измерительная техника» УГАТУ уже давно ведутся работы по исследованиям электрических параметров локальных зон биологической ткани. За годы работ разработано ряд приборов и систем, позволяющие оценить электрические параметры объектов имеющих биологическую природу.

Актуальность поставленных и решаемых задач подтверждается включением данных исследований в тематику следующих НИР:

1. «Измерительные генераторы заданной мгновенной электрической мощности» (грант Минобрнауки РФ 2002 г.);

2. «Создание информационной системы нового типа для оперативного получения информации о психофизиологическом состоянии военнослужащих и операторов ответственных установок" (программа сотрудничества Минобрнауки и Минобороны РФ 2002-2003 гг.), и др.

3. Результаты работы используются в учебном процессе и при изучении дисциплины «Технические методы диагностических исследований и лечебных воздействий», что подтверждено соответствующими документами.

Целью диссертационной работы является исследование возможностей и путей построения технических средств для получения информации об электрических свойствах локальных зон биологической ткани, которые будут отличаться лучшей воспроизводимостью результатов измерений и расширенным объемом получаемой информации, характеризующей состояние организма в моменты выполнения измерительных операций.

Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Систематизированы сведения об электрических свойствах биологических объектов и способах их оценки.

2. Разработаны оригинальные методы оценки электрических свойств биологической ткани, позволяющие получить дополнительную информацию об ее электрических свойствах и характеристиках.

3. Исследованы особенности и технические возможности функциональных узлов электроники, с помощью которых можно реализовать предложенные методы получения информации об электрических свойствах локальных зон биологической ткани.

4. Экспериментально проверена справедливость предложений по методам получения дополнительного объема информации об электрических свойствах локальных зон биологической ткани и выполнена качественная оценка параметров и характеристик, получаемых при использовании разработанных функциональных узлов.

В первой главе приведена информация об электрических свойствах биологических тканей. Сделана попытка на основе закономерностей, известных в биологии и физиологии, объяснить причины появления разности потенциалов между зонами на биологической ткани. А также приведено обоснование, что разность потенциалов, регистрируемая на биологической ткани, несет большой объем информации о состоянии организма, качестве функционирования отдельных органов и систем и параметрах микрокосмоса, в котором находится организм, поэтому она является слишком многофакторным явлением, затрудняющим получение однозначных выводов о причинах ее появления. Приведены некоторые сведения о параметрах и работе клеток, а также рассмотрен процесс биоэлектрической активности при возбуждении клетки. Рассмотрена концепция энергетического подхода к построению устройств, когда в объект исследования вносится постоянная электрическая мощность. Показана некорректность получения измерительной информации о теплозависимых объектах, когда в процессе ее получения вводится разная электрическая мощность и энергия. Приведены основные требования по принципам построения измерительных цепей, обеспечивающих неизменное значение рассеиваемой в объекте электрической мощности. Дана общая характеристика основных функциональных узлов и требований, предъявляемых к ним, необходимых для получения информации, достаточно полно характеризующих свойства и состояние объектов биологической природы.

Во второй главе приведены результаты исследований вопросов построения технических средств, предназначенных для оценки мощностных параметров биологической ткани и нахождению способов их измерения, пригодных для практического использования. На концептуальном уровне разработаны структуры для оценки мощностных параметров биологической ткани, предложены следующие методы: непосредственной оценки; косвенный метод; метод разновременного уравновешивания мощности.

Для метода непосредственной оценки разработаны две структуры преобразователей. В первой изменение сопротивления нагрузки ведется непрерывно за счет работы следящей системы, обеспечивающей изменения сопротивления. Во второй - используется дискретное следящее изменение сопротивления нагрузки.

Для косвенного метода разработана структурная схема преобразователя для определения максимальной мощности, которую может отдать в нагрузку биологическая ткань.

Предложен ранее неизвестный метод, названный методом разновременною уравновешивания мощности. Разработана структурная схема для реализации данного метода. В концептуальном плане рассмотрены вопросы практической реализации устройств, в которых реализуется этот метод.

В третьей главе приведен предлагаемый общий подход к получению информации об электрических свойствах биологической ткани, в том числе и тех, которые в этой области ранее не использовались. Показано, что повысить объем информации об электрических свойствах биологической ткани и ее качестве можно путем использования последовательности измерительных операций, которые проводятся последовательно одна за другой и изменяют электрические режимы биологической ткани в течение малых промежутков времени, оцениваемых миллисекундами - сотнями миллисекунд. В течение их состояние биологического организма практически не изменяется, хотя он относится к числу нестационарных объектов. В качестве основных базовых электрических режимов предложено использовать режимы: холостого хода биологической ткани; ее короткого замыкания; воздействия на биологическую ткань постоянным заданным значением электрической мощности с чередующейся полярностью. Проведены оценочные исследования свойств электрических сигналов регистрируемых на биологической ткани в предложенных режимах с целью получения представлений о требованиях, которые должны предъявляться к отдельным функциональным узлам при проектировании соответствующей измерительной аппаратуры.

Установлено, что в общем случае напряжение импульса при положительной полярности обычно больше, чем при отрицательной полярности, причем их значение различно в разных зонах. Замечено также, что при воздействии импульсом положительной полярности наблюдается лучшая временная стабильность.

Сделан вывод, что для аналитических и диагностических целей целесообразно использовать информацию о значении электрического сопротивления в режиме заданной электрической мощности и разности сопротивлений при разной полярности напряжения.

В четвертой главе рассмотрены особенности работы электродов, электрический режим которых быстро меняется и которые воспринимают сигналы, меняющиеся с большой скоростью, а также функциональные узлы, которые позволяют обеспечить режим короткого замыкания биологического объекта при проведении соответствующей измерительной операции. Сделана качественная оценка свойств контакта «электрод - жидкая среда» при работе с быстроизменяющимися сигналами в разных электрических режимах. При этом результаты зависят от температуры, состава жидкости, параметров сигнала, материалов, площадей поверхностей и качества изготовления электродов. Рассмотрены особенности электрических режимов, в которых работают электроды без электрических токов и при их наличии. Так как особенности применения выходят за пределы требований, регламентируемых ГОСТом 25995-83 «Электроды для съема биоэлектрических потенциалов. Общие требования и методы испытаний», выполнена работа по разработке метода оценок амплитудно- и фазочастотных характеристик системы «жидкость - измерительный электрод» при быстроизменяющихся сигналах, а также проведено исследование свойств при наличии напряжения поляризации и оценены амплитудно- и фазочастотные характеристики при протекании через электроды электрического тока. На концептуальном уровне предложены оригинальные схемы измерительных установок для качественных исследований свойств электродов в жидкости при высокочастотном сигнале.

Приведены результаты исследования принципов построения функциональных узлов, обеспечивающих режим короткого замыкания подключаемого к ним объекта. Сформулированы основные требования, предъявляемые к ним, из которых основными являются малое стабильное входное сопротивление в широком диапазоне частот и стабильный коэффициент преобразования.

Исследованы основные варианты схем и получены аналитические уравнения и уравнения, характеризующие функции преобразования. С помощью них можно оценить все интересующие параметры функционального узла при его практическом использовании. Некоторые из разработанных схем были использованы на практике.

С помощью пакета Micro-Cap v 7.0 проведено моделирование схем ПТН и получены характеристики, характеризующие динамические свойства ПТН при использовании различных микросхем, выпускаемых промышленностью. Сделаны выводы относительно рациональности применения для решения данной задачи конкретных технических решений.

Проведена оценка устойчивости ПТН, выполненного на основе операционного усилителя с параллельной обратной связью. Установлено, что при работе с биологическим объектом при определенных значениях его параметров и параметров ПТН устойчивость может быть потеряна. Получено трансцендентное уравнение, из численного решения которого с помощью пакета Maple v 9.0 найдены условия, при которых устойчивость будет сохраняться.

В пятой главе проведены экспериментальные количественные исследования электрических свойств биологической ткани, проявляющихся при периодически следующих с определенной частотой электрических мощностных воздействиях на биологическую ткань и коротких замыканиях ее на промежутки между воздействиями. При исследованиях была применена оригинальная установка, разработанная с участием автора в коллективе, где проводилась работа. Приведены результаты оценки ее метрологических характеристик.

Рассмотрены переходные процессы изменений падения напряжения на биологической ткани при разных значениях электрической мощности с целью определения того значения, при котором результаты наиболее информативны.

Приведены результаты обсуждений информационной значимости измеряемых параметров для решения диагностических задач. Обнаружены немонотонности в кривых установления тока в отдельных локальных зонах после периодического воздействия импульсами с определенной постоянной мгновенной мощностью, а также своеобразный ступенчатый переходной процесс установления тока. Дано гипотетическое объяснение этих явлений и высказаны предположения об их информационной значимости.

В Приложениях Е, Ж приведены две таблицы, в которые сведены экспериментальные данные о параметрах переходных процессов наблюдавшихся после установления и достаточно длительного воздействия на биологическую ткань импульсами электрической мощности и замыкании ее накоротко.

Полученные результаты были использованы при проектировании многорежимной информационно-измерительной системы, предназначенной для получения информации об электрических свойствах биологической ткани, характеризующих психофизиологическое состояние организма. Она была разработана в рамках программы сотрудничества Минобрнауки и Министерства обороны. В настоящее время система проходит опытные испытания и доработку.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Предложено величину раздражения биологической ткани и необходимую для этого длительность воздействия оценивать величиной электрической энергии, необходимой для возбуждения биологической ткани.

2. Предложено оценивать энергетические свойства локальных зон биологической ткани, рассматривая ее вместе с электродами как генератор электрической энергии. Разработаны подходы к построению соответствующих измерительных устройств и их основные структуры (патенты РФ №2152776, №2190994).

3. Предложено при оценке электрических свойств биологической ткани использовать режим ее кратковременного замыкания на малое электрическое сопротивление с оценкой спектра тока, протекающего в цепи, а также режим измерения электрического сопротивления биологической ткани при кратковременном воздействии на нее постоянной электрической мощностью.

4. Получены результаты количественных оценок электрических свойств биологической ткани в предложенных режимах измерений при выполнении предложенной совокупности измерительных операций.

5. Разработаны функциональные узлы для обеспечения режима короткого замыкания участка биологической ткани и измерения тока, протекающего через нее, а также подходы к исследованиям измерительных электродов, работающих в разных электрических режимах.

Практическую значимость имеют:

1. Результаты оценки электрических сигналов, регистрируемых в локальных зонах на биологической ткани в различных электрических режимах.

3. Предложенный режим оценки электрического сопротивления биологической ткани, который имеет лучшую определенность и термодинамическую воспроизводимость по сравнению с используемыми в настоящее время.

4. Разработанные структуры устройств и систем и схемы их функциональных узлов.

Достоверность и обоснованность. Часть результатов носит гипотетический характер и является результатом творческого осмысливания хорошо известных закономерностей, свойств и законов, установленных в областях: физика, электрохимия, биология, медицина. Другая, касающаяся исследований свойств биологической ткани и функциональных узлов схем базируется на подходах и методах, принятых в соответствующих областях знаний и достоверность которых не вызывает сомнений.

На защиту выносятся:

1. Результаты систематизации информации об электрических свойствах биологической ткани.

2. Предложения по оценке электрических свойств локальных зон биологической ткани, возможные подходы к проведению измерений и построению соответствующих измерительных систем.

3. Результаты исследований по получению информации путем использования совокупности измерительных операций, различающихся электрическими режимами биологической ткани.

5. Результаты экспериментальных исследований электрических сигналов, характеризующих электрические свойства биологической ткани при различных режимах измерений.

Заключение диссертация на тему "Методы и технические средства для оценки электрических свойств биологических объектов"

Выводы по главе

1. При предварительном энергетическом воздействии на биологическую ткань, при котором значения электрического тока и напряжения принимают квазиустановившиеся значения, и при небольшой длительности последующего замыкания накоротко измерительных электродов, так что электрический ток в цепи не успевает достичь квазиустановившегося значения, информативность процесса изменения электрического тока значительно больше, чем в случае малого времени энергетического воздействия и большего временного промежутка, в течение которого измерительные электроды замкнуты накоротко. Это обусловлено тем, что в биологической ткани появляется дополнительный электрический заряд, оказывающий влияние на измеряемые электрические параметры. Он отсутствует в случае, если заряд в основном рассасывается за тот промежуток времени, в течение которого измерительные электроды замкнуты накоротко и каждое новое энергетическое воздействие начинается при «нулевых» начальных условиях.

2. Длительность переходного процесса изменения электрического тока при коротком замыкании между собой измерительных электродов существенно зависит как от мгновенного, так и от среднего значений электрической мощности, рассеиваемой в биологической ткани, и увеличивается при увеличении средней мощности.

3. Слабо прослеживается корреляция между отдельными параметрами переходного процесса изменения электрического тока при замыкании накоротко измерительных электродов. Это свидетельствует о том, что каждый из них преимущественно характеризует свой параметр или свои свойства биологической ткани. Поэтому до статистической оценки информативности каждого из них в результате детальных медико-биологических исследований при построении измерительного устройства желательно измерение каждого из них.

4. На данной стадии научных исследований при построении измерительных преобразователей целесообразно выбирать длительность промежутка времени, в течение которого измерительные электроды замкнуты накоротко, равным ^ = 2 - 4 мс. Мгновенную мощность электрического воздействия следует выбирать на уровне 1 мВт, так как при ее увеличении свыше 1,3 мВт в отдельных случаях наблюдалось появление ощущения электрического тока.

5. При длительности воздействия электрической мощностью порядка / = 2 мс есть основания ожидать, что кривая изменения электрического тока при коротком замыкании измерительных электродов на время /м = 1 - 1,5 мс в отдельных случаях будет иметь немонотонный характер и содержать больший объем измерительной информации, чем в другом режиме.

6. Информацию об электрических свойствах биологической ткани несут значения токов ц, /2, /3, /4 и времени ¿2, , /4, , .

7. Наибольший разброс показаний наблюдался при измерениях следующих электрических параметров: начального тока ц (разброс -70 % максимального значения); тока 12, в момент изменения наклона кривой электрического тока; токов , г4, /5, характеризующих выброс электрического тока; временных промежутков (0-^), (0-/2), (О-/3), (/3-/4), (0-*б).

Следует ожидать, что перечисленные выше параметры могут быть по раздельности или в совокупности использованы в качестве характеристик состояния локальных зон биологических тканей и связанных с ними систем.

8. Целесообразно использовать в качестве одной из оценок состояния биологических тканей обобщенные показатели, зависящие от ряда параметров, перечисленных выше в п.7, а именно: среднюю скорость изменения электрического тока в течение временного промежутка (0 - /2) 2 среднюю скорость изменения электрического тока в течение временного промежутка (/3 - /2) н-ч

Они представляются более информативными, чем отдельные из измеряемых параметров.

9. Интегральное значение электрического тока, протекающего в цепи при коротком замыкании электродов, характеризует электрические свойства биологической ткани на конкретном локальном участке биологической ткани.

10. При построении измерительных приборов в них целесообразно закладывать простейшую обработку информации, в результате которой будут оцениваться относительные величины соотношений между отдельными параметрами. Например: Ки1 = и^/ц В/мкА; = ц/ц ; ^43 = /4 //3 ;

К53 =Н/Ь и ДР

11. Полученные выводы и количественные оценки в основном характеризуют физические и в малой степени биологические свойства биологической ткани ввиду малой длительности внешних энергетических воздействий и малого значения рассеиваемой мощности.

Представленный материал является обобщением тех результатов, которые были получены с непосредственным участием автора, начиная с 1994 года по настоящее время. Их значимость в том, что они расширили научную базу знаний об электрических свойствах биологической ткани и их проявлениях в области малых времен, а также о методах и технических средствах получения информации, характеризующих их. Без них затруднительно проектировать информационно-измерительные системы соответствующего назначения. Основная часть подходов, методов, количественных оценок и результатов, до проведения настоящего исследования известна не была.

На основании проведенных исследований получены следующие основные результаты работы и сделаны выводы:

1. Предложено в качестве информационного параметра, характеризующего состояние биологической ткани, использовать электрическую мощность. Разработаны структуры измерительных устройств для ее оценки. Обосновано, что на начальном этапе исследований мощностных параметров целесообразно применять косвенный метод, при котором измеряются электрическое напряжение в режиме холостого хода и электрический ток при замыкании электродов установленных на биологической ткани на малое электрическое сопротивление, а значение мощности определять расчетным путем.

2. Предложено информацию о состоянии биологического организма, которая характеризуется его сопротивлениями или проводимосгями получать в режиме, при котором воздействующая на биологический организм электрическая мощность остается неизменной. Установлено, что в этом режиме электрические значения тока и напряжения, а также параметры переходных процессов установления сигнала и восстановления исходного состояния различаются в разных локальных зонах на биологической ткани, что характеризует их состояние.

3. Проведены оценочные исследования электрического тока, протекающего в цепи при замыкании на малое сопротивление электродов, установленных на биологической ткани. Установлено, что в его составе в некоторых случаях имеется постоянная составляющая, и имеются переменные колебания даже при отсутствии у зоны предыстории в виде электрического воздействия. После воздействия одиночным импульсом постоянной электрической мощностью с длительностью, лежащей в диапазоне до десятка миллисекунд, электрический ток короткозамкнутых электродов имеет форму импульса со срезом, напоминающим экспоненту на которую часто накладываются колебания на среднем и конечном ее участке. Все это несет информацию об электрических свойствах данной локальной зоны биологического организма.

4. Установлены наиболее рациональные последовательности измерительных операций, которые дают расширенный объем информации. Проведены оценочные исследования параметров сигналов при работе в предложенных режимах при малой длительности измерительных операций (до 100 мс). Установлено, что в зависимости от состояния локальной зоны биологического организма, значения электрических сопротивлений при воздействии одинаковой мощностью с разной полярностью напряжения могут различаться до 1,5 раз и более.

5. Предложены структуры установок для проведения исследований электрических свойств электродов, контактирующих с биологической тканью и работающих в разных электрических режимах малой их длительности.

6. Проведены исследования технических возможностей функциональных узлов электроники, которые обеспечивают замыкание электродов на малое электрическое сопротивление и преобразуют в напряжение малые токи биологического организма. Получены оценки параметров переходных процессов при использовании различных типов ОУ, и разработаны рекомендации по обеспечению устойчивости при работе с биологическим объектом.

7. Экспериментально исследованы электрические сигналы при периодическом воздействии на локальную зону биологического организма электрическими импульсами мощности с положительной полярностью напряжения и коротком замыканием электродов в паузах между импульсами. Проведена качественная и количественная оценки полученных результатов и сделана попытка оценки их информационной значимости.

Библиография Мирина, Татьяна Владимировна, диссертация по теме Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)

1. Алдерсонс A.A. Механизмы электродермальных реакций. Рига: Зинатне, 1985,- 130 с.

2. Аппаратура и методы клинического мониторинга: Учебное пособие /Л.И.Калакутский, Э.С.Манелис. Самар.гос.аэрокосм.ун-т. Самара, 1999. 160с.

3. Ахутин В.М., Першин H.H., Тимофеев В.И. Проектирование электродов для регистрации биопотенциалов: Учеб. пособ. Л.: ЛЭТИ, 1983. -48 с.

4. Алексеенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем М.: Радио и связь, 1985. - 256 с.

5. Аленицын А.Г., Бутиков Е.И. Кондратьев A.C. Краткий физико-математический справочник. М.: Наука. - 1990. - 368 с.

6. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. /В.Н. Тимонтеев, Л.М. Величко, В.А. Ткаченко. -М.: Радио и связь, 1982.- 112с.

7. Авторское свидетельство. 1138762. СССР. Устройство для измерения электрической проводимости/ В.Г. Гусев и др. (СССР). -№3297431/24-21; Заявлено 08.06.81; Опубл. 07.08.85. Бюл. №5.

8. Берклинбакт М.Б., Глаголева Е.Г. Электричесиво в живых организмах. М.: Наука, 1988.-288 с.

9. Березовский В.А., Колотилов H.H. Биофизические характеристики тканей человека. Справочник. Киев: Наукова Думка, 1990. 223 с.

10. Бабский Е.Б., Зубков A.A., Косицкий Г.И. и др. Физиология человека. Учебник для студентов мед. институтов. М.: Медицина, 1966. 656 с.

11. Бронштейн H.H., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука. Гл. ред. физ-мат. лит, 1986. - 544 с.

12. Биоэлектричество. Количественный подход: Пер. с англ. /К. Плонси, Р. Роберт, Н. Барр., С. Роджер. Под ред. JI.M. Чайплахяна. JL: Мир, 1992.-366 с.

13. Валенко B.C. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств /Под ред. A.A. Ровдо. М.: Издательский дом Додэка-XXI, 2001.- 368 с.

14. Вогралик В.Г., Вогралик М.В. Пунктуационная рефлексотерапия. Горький: Волго-Вятское кн. изд-во, 1988. 335 с.

15. Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств / Г. И. Волович.-М.: Издательский дом Додэка-ХХ1, 2005.-528 с.

16. Высокоэффективные технические средства для получения информации о параметрах биологических объектов. Гусев В.Г., Мирина Т.В., Мирин Н.В. Технический отчет по НИР, 1995. Инв. Номер во ВНТИЦ 02.960 000 145.

17. Вельховер Е.С., Кушнир Г.В. Экстерорецепторы кожи. Кишинев: Штиница, 1984.- 128 с.

18. Гаваа Лувсан. Традиционные и современные аспекты восточной рефлексотерапии. М.: Наука, 1989. 575 с.

19. Гусев В. Г. Электроника и микропроцессорная техника: учебник для вузов / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев.-Изд. 3-е, перераб. и доп.-М.: Высшая школа, 2005. 790 с.

20. Гусев В.Г. Получение информации о параметрах и характеристиках организма и физические методы воздействия на него: Учебное пособие / В.Г. Гусев. М.: Машиностроение, 2004. - 597 с.

21. Гусев В.Г. Информационные свойства электрических параметров кожного покрова. Уфа.: Гилем,1998. - 173 с.

22. Гусев В.Г. Методы получения измерительной информации об электрических свойствах биологических тканей: Научное издание / Уфимский гос.авиац.техн.ун-т. Уфа, 1995. 167 с.

23. Гусев В.Г. Методы и технические средства для медико-биологических исследований. Часть I. Уфа: УГАТУ, 2001. - 227 с.

24. Гусев В.Г. Методы и технические средства для медико-биологических исследований. Часть 2. Уфа: УГАТУ, 2001. - 119 с.

25. Гусев В.Г. Методы построения высокоточных электронных устройств преобразования информации. Уфа: УГАТУ. - 1998. - 184 с.

26. Гусев В.Г., Мирина Т.В. Методические указания по изучению дисциплины «Технические методы диагностических исследований и лечебных воздействий». УГАТУ, 2005. 50 с.

27. Гусев В.Г., Дудов O.A., Мирина Т.В. Электрические методы диагностики состояния биологического организма. Материалы XVI НТК. Датчики и преобразователи информации систем измерения контроля и управления. М.: МГИЭ, 2004 с.224.

28. Гусев В.Г., Мирина Т.В. Особенности квазирезонансного воздействия на биооргаиизм. Датчики и системы, 2004, №6 с. 51-54.

29. Гусев В.Г., Демин А.Ю., Мирина Т.В. Элементы и узлы измерительных генераторов заданной электрической мощности. Измерительная техника, 2003, №7, с. 34-38.

30. Гусев В.Г., Мирина Т.В. Измерительные электроды для биологии и медицины. Измерительная техника, 2002, №6, с. 54.

31. Гусев В.Г., Мирина Т.В.Методы измерения мощностных свойств источников электрической энергии имеющих биологическую природу. Материалы НТК «Датчик 2001». М.: МГИЭМ, 2001, с. 132-133.

32. Гусев В.Г., Мирина Т.В. Статическая определенность возмущения в объекте при выполнении операций измерения электрических параметров. Сборник материалов Всероссийской НТК. Пенза: ПГУ, 2001, с. 108-109.

33. Гусев В.Г., Мирина Т.В. Улучшение характеристик измерительных генераторов заданной мощности. Метрология, 1999, №7, с. 18-28.

34. Гусев В.Г., Мирина Т.В., Мирин Н.В. Измерение энергетических параметров биологического организма. Материалы XI НТК «Датчики и преобразователи информации систем контроля и управления». М.: МГИЭМ, 1999, с. 161-162.

35. Гусев В.Г., Мирин Н.В., Мирина Т.В. Многорежимные измерительные преобразователи для медицинских диагностических информационно-измерительных систем. Сборник «Вестник аритмологии». С.Птб., Изд-во «Сильван», 1998, №8.

36. Гусев В.Г., Мирин Н.В., Мирина Т.В. Информационно-измериетльная система медицинского назначения. Тезисы докладов IX НТК

37. Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления». М.: МГИЭМ, 1997, с. 272-273.

38. Гусев В.Г., Мирин Н.В., Мирина Т.В. Информационно-измерительная система для многорежимных измерений. Тезисы докладов VII НТК «Датчики и преобразователи систем измерения, контроля и управления» Том 2. Гурзуф, 1996, с. 367-368.

39. Гусев В.Г., Мирина Т.В. (Гусева Т.В.). Электрические измерения информационных параметров кожного покрова. Межвузовский сборник «Датчики систем измереиия, контроля и управления». Выпуск №6, Пенза: ПГТУ, 1996, с. 64-70.

40. Гусев В.Г., Мирина Т.В. (Гусева Т.В.). Измерительные цепи с фиксированной мощностью, рассеиваемой в контролируемом объекте. Межвузовский сборник «Датчики систем измерения, контроля и управления». Выпуск №15, Пенза: ПГТУ, 1995, с. 63-66.

41. Гусев В.Г., Мирина Т.В. (Гусева Т.В.) Получение измерительной информации об электрических параметрах биологической ткани. Тезисы VII НТК «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления». Том 1, Крым, 1995, с. 52-53.

42. Гусев В.Г., Мирина Т.В. (Гусева Т.В.) Измерительные цепи медицинских и биологических приборов и установок. Тезисы докладов международной конференции «Мера 94». М.: 1994, с. 93-94.

43. Гусев В.Г., Мирина Т.В. (Гусева Т.В.) Измерительные цепи нового класса. Тезисы докладов межгосударственной конференции «Методы и средства измерений механических параметров в системах контроля и управления», Пенза, 1994, с. 60.

44. ГОСТ 8.009-84. ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений.

45. ГОСТ 25995-83 «Электроды для съема биоэлектрических потенциалов. Общие технические требования и методы испытаний».

46. ГОСТ 20790-93. «Приборы, аппараты и оборудование медицинские. Общие технические условия».

47. ГОСТ Р 50444-92. «Приборы, аппараты и оборудование медицинские. Общие технические условия».

48. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах, JL: Энергоатомиздат, 1988. - 303 с.

49. Дамаскин Б.Б., Петрий O.A. Введение в электрохимическую кинетику. М.: Высшая школа, 1983. - 400 с.

50. Достал И. Операционные усилители. М.: Мир. - 1982. - 186 с.

51. Демин АЛО. Измерительные генераторы малой заданной электрической мощности (развитие теории, исследования, разработка). Дисс. канд. техн. наук: 05.13.05 2003.

52. Ежков 10. С. Справочник по схемотехнике усилителей.- / 2-е изд., перераб.-М.: РадиоСофт, 2002. 272 с.

53. Зеленов С.А. Измерительные генераторы заданной электрической мощности (развитие теории, исследование и разработка): Дисс. канд. техн. наук: 05.13.05 -1997.

54. Измерительные операции и цепи в многофункциональной диагностической системе. Гусев В.Г., Демин АЛО. и др. Медицинская техника, 2004, №1, с. 16-19.

55. Информационно-измерительная система для проведения медицинских исследований. / Гусев В.Г., Фетисов B.C., Мирина Т.В. и др. Материалы XVI НТК «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления». М.: МГИЭМ, 2002, с. 234.

56. Измерительные генераторы заданной мгновенной электрической мощности. Технический отчет. Соисполнители Гусев В.Г., Мирина Т.В., Демин АЛО. Инв. Номер в ВНИИТЦ. 02.20.03.00432

57. Исследование методов, технических средств и систем для получения измерительной информации. Технический отчет заключительный. Один из соисполнителей Мирина Т.В. Инв. Номер в ВНТИНЦ. 02.2.00.206485, 202 с.

58. Измерительные цепи с генераторами заданной мощности/ В.Г. Гусев и др. Измерительная техника №8, 2005 с. 50-52.

59. Интегральные средства системы обработки медицинской информации /H.A. Кореневский, Г.П. Колоскова, Т.А. Кретушева, О.И. Позднякова // Материалы медицинской конференции «Распознавание-95». Курск, 1995.

60. Иглоукалывание /Под общей ред. Хоанг Бао Тяу, Ла Куанг Ниеп; Пер. с вьетнамского. М.: Медицина, 1988. - 672 с.

61. Импедансная реоплетизмография. /Гуревич М.И., Соловьев А.И., Литовченко Л.П., Доломан Л.Б. Киев: Наукова Думка, 1982. - 176 с.

62. Интегральные микросхемы: Операционные усилители и компараторы: Справочник / В.Д. Авербух, Н.В. Каратаев, A.B. Макашов и др. Авербух В.Д. Т.12.-2-е изд., испр. и доп.-2002. 560 с.

63. Интегральные схемы: Операционные усилители. Том 1 М.: Физматлит, 1993. - 240 с.

64. Интегральные микросхемы: микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа. Выпуск 1. М.: ДОДЭКА, 1996. - 384 с.

65. Измерения в промышленности: Справ, изд-е в 3-х кн. Пер. с нем./ Под ред. П. Профоса 2-е изд. перераб. И доп. М.: Металлургия, 1990.

66. Колесников Г.Ф. Электростимуляция нервно-мышечного аппарата. Киев: Здоров'я, 1977, 166 с.

67. Калакутский Л.И., Вейнер В.А., Дильдин A.C. Эквивалентная схема замещения тканей при чрескожной электростимуляции // Медицинская техника. 1981.-№ I.e. 18-21.

68. Конев C.B., Мажуль В.М. Межклеточные контакты. Минск: Наука и техника, 1977.

69. Коган А.Б. Электрофизиология. М.: Высш.шк., 1969. - 368 с.

70. Кутаковский М.С., Журавлева Н.Б. Аритмии и блокады сердца (атлас электрокардиограмм). М.: Медицина, 1981.- 340 с.

71. Кореневский H.A., Попечителев Е.П., Филист С.А. Проектирование электронной медицинской аппаратуры для диагностики и лечебных воздействий: Монография. Курск, 1999. 537 с.

72. Кореневский H.A., Рудник М.И., Рудник Е.М. Энергоинформационные основы рефлексологии: Монография / Курск. Гуманит. -техн. ин-т. Курск, 2001. 236 с.

73. Кореневский H.A., Лазурина Л.П. Энергоинформационные модели рефлексодиагностики: Монография. Курск, 2000. 117 с.

74. Кореневский H.A., Попечителев Е.П., Гадалов В.Н. Проектирование электронной медицинской аппаратуры, основанной на электрическом взаимодействии с биообъектами: Учеб. пособие / Курск.гос. техп.ун-т. Курск, 1997.-212 с.

75. Кнеллер В.Ю., Боровских Л.П. Определение параметров многоэлементных двухполюсников. М.: Энергоатомиздат. 1986. - 144 с.

76. Качалов Б.П., Гиетов A.B., Ноздрачев А.Д. Металлический микроэлектрод. Л.: Наука, 1980. - 159 с.

77. Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. М.: Радио и связь, 1991. - 376 с.

78. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. 8-е изд., перераб. - М.: Наука, 1980. - 208 с.

79. Лупичев Н.Л. Электропунктурная диагностика, гомеотерапия и феномен дальнодействия. НПК «Ириус», 1990, 124 с.

80. Лачин В. И. Электроника: учеб. пособие для студ. вузов / В. И. Лачин, Н. С. Савелов.-4-е изд.-Poctob н/Д: Феникс, 2004. 576 с.

81. Лощилов В.И., Калакутский Л.И. Биотехнические системы электронейростимуляции. -М.: МГТУ, 1991. 169 с.

82. Многофункциональная информационно-измерительная система для медицинской диагностики/ В.Г. Гусев., Дудов O.A., Мирина Т.В. и др. Вестник УГАТУ. Т.5 -№2(10) Уфа: УГАТУ, 2004 с. 104-109.

83. Медицинские приборы. Разработка и применение.(John G.Webster, John W.Clark,Jr, И.В.Камышко, Д.А.Калашник и др.) -М: Медицинская книга, 2004 720с.

84. Марков Ю.В. Рефлексотерапия в современной медицине: От мифов и легенд к реальности. - СПб.: Наука, 1992. - 182 с.

85. Мирин Н.В. Системы для оценки электрических свойств биологических объектов (Измерительные операции, концепция построения

86. ИИС, функциональные узлы систем, теоретические и экспериментальные исследования электрических свойств объекта) Дисс. канд.техн. наук: 05.11.16 -1998.

87. Николаев Е.В., Подлепецкий Б.Н., Степаненко И.П. Статические вольтамперные характеристика биологически активных точек кожи человека. Биофизика, том. XXV, вып. 2, 1980.

88. Новицкий П.В. Зограф H.A. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энегроатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1985. - 248 с.

89. Операционные усилители и компараторы. М.: Издательский дом «Додека-ХХ1», 2001. - 560 с.

90. Павлов В.П., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов. -3-е изд. М.: Горячая линия-Телеком , 2005. -320 с.

91. Попечителев Е.П. Электрофизиологическая и фотометрическая медицинская техника. Теория и проектирование: Учеб. пособие для вузов / Е.П. Попечителев, H.A. Кореневский; Под ред. Е.П. Попечителева.-М.: Высш. шк., 2002. 470 с.

92. Попечителев Е.П. Инженерные аспекты медико-биологических исследований. Л.: ЛЭТИ, 1982.

93. Попечителев Е.П. Методы медико-биологичеких исследований. -Л.: ЛЭТИ, 1979.

94. Пейтон А.Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. М.: БИНОМ, 1994. - 352 с.

95. Портнов Ф.Г. Электропунктурная рефлексотерапия. Рига: Зинатне, 1988.-352 с.

96. Первичные механизмы действия игло-укалывапия и прижигаиия/А.П. Ромоданов, Г.Б. Богданов, Д.С. Лященко. Киев: Вища школа, 1984.- 112 с.

97. Проблемы техники в медицине. Тезисы докладов IV Всесоюзной НТК, Тбилиси: ГПИ, 1986, 180 с.

98. Патент РФ №2190994. Б.И. №29, 2002. Способы устройство для измерения параметров биологической ткани / Гусев В.Г., Мирин Н.В., Мирина Т.В.

99. Патент РФ №2152776. Б.И. №20, 2000. Устройство для измерения электрических параметров биологических тканей. / Гусев В.Г., Мирина Н.В., Мирина Т.В.

100. Принципы построения и структуры электронных измерительных генераторов задаЕШОй электрической мощности Гусев В.Г., Зеленов С.А., Мирина Т.В. и др. Измерительная техника, 1999, №4, с. 26-31.

101. Прохоров Г.В., Колбеев В.В., Желнов К.И., Леденев М.А. Математический пакет Maple V Release 4: Руководство пользователя. Калуга: Облиздат, 1998.-200 с.

102. Полищук В.И., Терехова Л.Г. Техника и методика реографии и реоплетизмографии. М.: Медицина, 1983. - 176 с.

103. Плэмбек Дж. Электрохимические методы анализа: Основы теории и применение /Под ред. С.Г. Майрановского, пер. с англ. М.: Мир, 1985. - 496 с.

104. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap VI. М.: Горячая линия-Телеком, 2001. - 344 с.

105. Ромоданов А.П., Богданов Г.Б., Лященко Д.С. Закономерности электротепловых биоэнергетических преобразований в биологически активных точках кожи и их клиническое значение. Врач, дело, 1977, №10, с. 31-35.

106. Самохин A.B., Готовский Ю.В. Практическая электропунктура по методу Р.Фолля. М.: Имедис, 1994. 304 с.

107. Совокупность измерительных операций при оценке электрических свойств биологических тканей/ В.Г. Гусев и др. Метрология, №12, 2004 с. 2738.

108. Системы комплексной электромагпитотерапии: Учебное пособие для вузов / Под ред. A.M. Беркутова, В.И. Жулева, Г.А. Кураева, Е.М. Прошина. М.: Лаборатория базовых знаний, 2000 г. - 376 с.

109. Слыпько П.П. Потоотделение и проницаемость кожи человека. -Киев, Наукова думка 1973. 256 с.

110. Табеева Д.М. Руководство по иглорефлексотерапии. М.: Медицина, 1980.- 560 с.

111. Тасаки И. Нервное возбуждение. М.: Мир, 1971. 222 с.

112. Технические аспекты рефлексотерапии и системы диагностики. Сборник научных трудов. Калинин: КГУ, 1984. 119 с.

113. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. С нем. М.: Мир, 1982. - 512 с.

114. Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Радио и связь, 1982.- 112с.

115. Фомин H.A. Физиология человека. 3-е изд. - М.: Просвещение; Владос, 1995.-416 с.

116. Фарзане Н.Г. и др. Технологические измерения и приборы. М.: Высш.шк., 1989.-456 с.

117. Фолкенберри J1. Применение операционных усилителей и линейных ИС.- М.: Мир, 1985. 232 с.

118. Цифровые измерительные генераторы заданной электрической мощности. / Гусев В.Г., Мирина Т.В., Демин АЛО. и др. Материалы XIV НТК «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля, и управления». М.: МГИЭМ, 2002, с. 32-33.

119. Шеперд Г. Нейро-биология. T.l М.: Мир, 1987. 454 с.

120. Шеперд Г. Нейро-биология. Т.2 М.: Мир, 1987. 368 с.

121. Графики зависимости коэффициента а в уравнении (4.20) от сопротивлений эквивалентной схемы биологической ткани1. Кс а

122. Яос=1 кОм а 25 2С 15 10 5 100000 8 ¿С 1 Ш (НИИ ¡1 \ /пШШ и шШШ шш Ш/'Штт лшшш >.< ■•. *-. .--А,- '*•/.-.: •>>• ■'-'>■.•-■. >'-. >■ Л-',/у- 0000 60000 20000 8 Я? 7,0м 0^-1000 1" щ Ш4 н Ш/Ы шшт. 2ОС ^'600 О "0 м

123. Кос=2 кОм а 40; 30 20 ю 100000 8( шШш щшш /шшт зооо 60000 ^ 40000 * Л 20000 ' а Ом о" юоо ! Ш *•/ » Л-V « 1 > 1 1 1 / / 1 1 / /11 11 ■ЖМ .-. Л. ,1; V V < \ \ 2ОС 600 00 0 о м

124. R()C= 5 кОм a 100 so 00 ■10 20 10000$ a P\ 1 гтШШ mm Jmm . • - * » ^2SÇ" > -L-f >/ 0000 60000 40000 o-Í л«» ¿'oooo ' K7, UM о 10 Ilr ШШ if ЯШ 400 " 800 Я2, 00 ' 0 3 Эм

125. ROC=10 кОм a 200 150; 100 50 1oooo8 S я V * ■ " * -С" 60000 40000 20000 R1, Ом о "1?: ю Irl и 1 ïil Щм ! v.-1^ 2 ос -"'óog ;"&оо < >0 0

126. Графики зависимости значения аргумента коэффициента ¡3 от частоты и значения сопротивления эквивалентной схемы биологической ткани

127. С2 =0.002 мкФ; Я()С=Ю кОм; кОм.1. Ом

128. С2 =0.005 мкФ; Яос=\0 кОм; Я-)=5 кОм.200001. Ом250000

129. С2=0.01 мкФ; Roc=10 кОм; R,=S кОм.1. О 'Тт-^,20000400004000060000 R1 Ом 8000Ö60СООвосооt :соооо 1C0XQ

130. С2 =0.02 мкФ; Äoc=10 кОм; /ï2=5 кОм.5СООО1. С2 =0,04 мкФ; Roc=\0 кОм;-> = 5 кОм.dOCOO60000 R1r Омеоооо1. У 1000002 5 ООО

131. Графики зависимости значения аргумента коэффициента /? от частоты и значения сопротивления эквивалентной схемы биологической ткани.

132. С2 =0.01 мкФ; Roc = 10 кОм; Я,=1 МОм.

133. С2 =0.02 мкФ; Roc=10 кОм; Я = \ МОм600040001. R2, Ом 2000 '"'20000>, \ 60Ö00 }V>--eooco о)W10000060002, Ом 20°ö1. ШШШШ!уу0000l^''80000 ^ Ó 4 100000

134. С2 =0.04 мкФ; Roc=ЮкОм; /?, = ! МОм-40-60-60 100001. ШЁтЁжм1\Ш ш1. ШЖШш/ ШшшУни\и ИИ1. Шиш'1. Ш I i И 1 ги >•1. QQ6000 •40002. Ом 2000шип//2001.' ' .•••'" 40000 <010000 2000050000

135. Графики зависимости значения аргумента коэффициента /? от значений параметров эквивалентной схемы биологической ткани, сопротивления обратной связи Яос и добавочного сопротивления Яд

136. С2-0.002 мкФ; Л,=1 МОм; 0 4000 в000 12000 16000 20000, Ом1. Я2=100 Ом; -5 1. У=1 ООО; 1. Дос=500 Ом. -10 -15 -20

137. С2=0.01 мкФ; Д,=1 МОм; 0 4000 8000 12000 16000 200001. Р1д, Ом1. Я2=100 Ом; -4 ■1000; 1. Лис=500 Ом. -в-1216-

138. С2=0.01 мкФ; Д,=1 МОм; 4000 8000 12000 16000 200001. Ом1. Д2=10 Ом; -5

139. У=1000; Яос=500 Ом. •10-15-•20--25"

140. С2 = 0.01 мкФ; 4000 0000 12000 160g0 200g01 МОм; Ом2=10 0м; -10 ■ 1. У=100; 1. Roc=5 кОм. -15-20 -25

141. С2=0.01 мкФ; 4000 0000 12000 1в000 20g00

142. Я,=ЮкОм; Я2=ЮОм; -4 RÖ' Ому=100; Roc= 5 кОм. -6 -12 -16

143. С2=0.01 мкФ; 4000 вооо 12000 16000 2000010 кОм; -0,4 Rd' Ом1. Я2=ЮОм; 1. У=10; -0,8 1. RfíC= 5 кОм. -1,2 -1,6

144. Графики процесса восстановления выходного напряжения исследованных схем ПТН при использовании различных типов ОУ-РЕ" СИ

145. ЭОПППи иООа 1в 940и 200001) г02:0и ЗОЛэОи 20500ив) Г)

146. Рисунок Д. 1 Графики процесса восстановления выходного напряжения для схемы, приведенной на рисунке 4.6, а при использовании различных типов ОУа) б)в)

147. Рисунок Д.2 Графики процесса восстановления выходного напряжения для схемы, приведенной на рисунке 4.8, а при использовании различных типов ОУа) б)в) г)

148. Рисунок Д.З Графики процесса восстановления выходного напряжения для схемы, приведенной на рисунке 4.9, а при использовании различных типов ОУа) б)в)

149. Рисунок Д.4 Графики процесса восстановления выходного напряжения для схемы, приведенной на рисунке 4.10 при использовании различных типов ОУ5НЕМА6РЕЯОЯ5НЕМА6РЕй| Са)5НЕМА6РЕЙ С1Рв) г)

150. Рисунок Д.5 Графики процесса восстановления выходного напряжения для схемы, приведенной на рисунке 4.11 при использовании различных типов ОУ

Похожие работы

Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы
05.11.00