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

/

Уфимский государственный авиационный технический университет

на правах рукописи

МИРИН НИКОЛАЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

СИСТЕМЫ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ (Измерительные операции, концепция построения ИИС, функциональные узлы систем, теоретические и экспериментальные исследования электрических

свойств объекта)

Специальность 05.11.16 - информационно-измерительные системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Гусев В.Г.

Научный консультант

кандидат технических наук, профессор Мулик А.В.

Уфа 1998

СПИСОК ПРИМЕНЯЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ИС - измерительная система;

КГР - кожно-гальванический рефлекс;

ИУ - измерительный усилитель;

ОУ - операционный усилитель;

ИОН - источник опорного напряжения;

ПНТ - преобразователь напряжение-ток;

111Н - преобразователь ток-напряжение;

ФБ - функциональный блок;

ИМС - интегральная микросхема;

АГТС - аналоговый перемножитель сигналов;

УАПС - универсальный аналоговый перемножитель сигналов;

ПД - потенциал действия;

ТА - точка акупунктуры;

АЦЧ - аналого-цифровая часть;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь;

ПДП - прямой доступ к памяти;

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство;

ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина;

БО - биологический объект;

СЛСА - содержательные логические схемы алгоритмов; ГЗЭМ - генератор заданной электрической мощности.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр

Введение......................................................................................................................................................................................................................7

Глава 1. Электрические свойства и параметры биологического объекта............12

1.1 Характеристики кожного покрова как объекта измерения........................12

1.2 Физико-химические механизмы появления разности потенциалов между участками биологической ткани........................................20

1.3 Электрические параметры колебательных электрических процессов, характеризующих функционирование живой

материи..........................................................................................................................................................................................24

(

1.3.1 Электрокардиография и происхождение ее зубцов..........................................31 $

1.3.2 Биоэлектрическая активность головного мозга......................................................35

1.4 Методы измерения электрических параметров

локальных зон кожного покрова..........................................................................................................37

1.4.1 Измерение электрокожной проводимости......................................................................39

1.4.2 Измерение потенциалов ТА....................................................................................................................43

1.4.3 Исследование вольтамперных характеристик ТА..............................................46

Выводы по главе. Постановка задач исследования............................................................52

Глава 2. Измерительные системы для оценки электрических

параметров биологических объектов................................................................................................54

2.1 Общие соображения о необходимости создания измерительных систем данного назначения......................................................................54

2.2 Измерительные операции и электрические режимы, в

которых они должны выполняться..................................................................................................60

2.2.1 Синхронизация измерительных операций......................................................................66

2.2.2 Обоснование медицинской допустимости электрических режимов при которых выполняются предложенные измерительные операции............................................................................................................................67

2.3 Качественный анализ переходных процессов изменений электрического тока и напряжения, наблюдаемых в измерительных цепях с разными источниками

электрической энергии.................................................................... 69

2.3.1 Переходные процессы в измерительных цепях с маломощным внешним источником напряжения....................... 69

2.3.2 Переходные процессы в измерительных цепях с

внешним генератором малого электрического тока................... 75

2.3.3 Переходные процессы в измерительной цепи с

генератором малой электрической мощности............................. 79

2.4 Анализ экспериментально полученных кривых переходных процессов установления электрических напряжения и тока

в биологической ткани.................................................................... 84

2.5 Структурные схемы предлагаемых измерительных систем.......... 94

2.5.1 Измерительные системы с параллельно-последовательной структурой аналого-цифровой части........................................... 95

2.5.2 Измерительные системы с цифровым методом

поддержания постоянного значения мощности.......................... 107

Выводы по главе.................................................................................... 116

Глава 3. Основные функциональные узлы измерительных систем............... 118

3.1 Многофункциональное входное устройство................................... 118

3.1.1 Входное устройство в режиме воздействия напряжением....................120

3.1.2 Входное устройство в режиме короткого замыкания....................................132

3.2 Генераторы заданной электрической мощности........................................................137

3.3 Модуль аналогового ввода-вывода....................................................................................................146

3.4 Частичная обработка результатов измерений..................................................................149

Выводы по главе........................................................................................................................................................................161

Глава 4. Анализ и общая оценка факторов, вызывающих появление погрешностей у измерительных систем................................

4.1 Анализ источников погрешности............................................................................163

4.2 Погрешности вносимые контактными электродами

и методы их уменьшения................................................................................................................................165

4.3 Оценка погрешностей функциональных узлов ИИС............................................174

4.3.1 Преобразователь напряжение-ток................................................................................................175

4.3.2 Измерительный усилитель........................................................................................................................179

4.3.3 Аналого-цифровой преобразователь........................................................................................191

4.3.4 Погрешности перемножителей и делителей на

аналоговых ИМС....................................................................................................................................................196

4.3.5 Погрешность делителя на ЦАП........................................................................................................200

4.4 Оценка результирующих погрешностей измерений, проводимых в разных температурных режимах........................................................202

4.5 Полная погрешность ИИС и возможные методы ее

уменьшения............................................................................................................................................................................206

Выводы по главе........................................................................................................................................................................209

Глава 5. Разработанные измерительные каналы и

экспериментальные исследования.................................................... 211

5.1 Измерительные каналы систем....................................................... 211

5.2 Экспериментальная установка для оценки электрических свойств биологических объектов и результаты исследований электрических свойств биологической ткани................................ 219

5.3 Результаты обработки данных, полученных при

измерениях, по описанной методике.............................................. 225

Выводы по главе..................................... ............................................... 231

Основные выводы и результаты работы............................................... 233

Список использованных источников

236

Приложение 1. Сравнительные характеристики аналоговых

перемножителей сигналов К525ПС2 и А0734 и

схемы включения их в качестве перемножителей

сигналов................................................................................. 241

Приложение 2. Технические характеристики модуля

аналогового ввода/вывода..................................................... 245

Приложение 3. Результаты экспериментальных исследований..................... 247

Приложение 4. Программы реализации метода математической обработки результатов

измерений............................................................................... 260

Приложение 5. Результаты обработки экспериментальных данных............. 264

Приложение 6. Акт об использовании результатов диссертационной

работы.................................................................................... 278

ВВЕДЕНИЕ

С совершенствованием технических средств, предназначенных для получения измерительной информации об объектах окружающего нас мира, а также элементной базы этих технических средств, повышается сложность задач, которые удается решать при приемлемых материальных и интеллектуальных затратах. Потребителям измерительной информации требуется все больший ее объем при одновременном удобстве получения, автоматизированной обработке и выдаче. Объекты измерений рассматриваются все более детализировано с учетом факторов, на которые ранее не обращали существенного внимания.

Одними из наиболее сложных объектов, информация о состоянии которых имеет важнейшее значение, являются объекты биологической природы. Для оценки их состояния могут быть использованы практически все известные методы измерений физических, химических и электрохимических параметров.

Важную информацию об их состоянии несут электрические свойства биологической ткани. Ряд исследователей считает, что изменения на электрическом уровне появляются значительно раньше, чем их удается зарегистрировать на химическом уровне.

На оценке электрических свойств биологического организма основаны такие широко применяемые методы диагностики как электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография, электроплетизмография,

электрогастроскопия и пр. Привлекает в них то, что информацию о функционировании живого организма удается получить неинвазивно с помощью накладных электродов. Для исследования процессов в клетке и в отдельных органах используются также имплантируемые электроды. В ряде областей медицины электрические методы исследований являются важнейшими, наиболее информативными и удобными.

Обычно измеряется разность потенциалов, электрические проводимости, сопротивления или импедансы между отдельными участками организма.

При измерении разности потенциалов измерительные операции оказывают наименьшее внешнее воздействие на объект измерений. Оценка электрических

нроводимостей, сопротивлений, импедансов сопровождается внесением в биологический объект внешней энергии, которая нарушает существовавшее до этого термодинамическое равновесие. Это, как правило, соответствующим образом никак не учитывается.

В широко распространенных приборах и измерительных системах, как правило, оцениваются электрические параметры колебательных процессов, которые характерны для живой материи. Для них получены количественные оценки, характеризующие норму и патологию органов и систем, которые внедрены в практику и широко используются. С помощью их обычно оценивается физиологическое состояние организма. Для измерений параметров колебательных процессов созданы высокоэффективные измерительные системы, в которых имеется автоматизированная обработка информации. Разработаны экспертные системы, которые по результатам измерений позволяют получить вероятный диагноз.

Гораздо хуже обстоят дела в случаях, когда требуется измерить электрические свойства участка биологического объекта, как физического тела. Соответствующие измерительные приборы не позволяют получать удовлетворительной достоверности и воспроизводимости результатов проведения измерительных операций. Это особенно заметно тогда, когда пытаются измерить квазистатические электрические параметры локальных участков биологической ткани, имеющих малую площадь поверхности, соприкасающейся с измерительным электродом. Поэтому для квазистатических электрических свойств биологического организма нет общепризнанных данных, характеризующих норму и патологию. Результаты измерений сопротивлений локальных зон кожного покрова у разных исследователей различаются в несколько - десятки раз. Л диагностика по значениям электрических параметров так популярная в последнее время (диагностика по методикам Фолля, Нечушкина, Накатани и др.) больше напоминает искусство, чем научный метод. Это обусловлено тем, что каждое из последовательно проводимых измерений на одной и той же зоне объекта дает результаты, существенно различающиеся между собой. Причем различия достигают десятков-сотен процентов. Аналогичная ситуация с разностью потенциалов. Разброс ее в одних и тех же зонах при многократных измерениях составляет 2 мВ - 300 мВ.

Хотя с концепцией информативности локальных зон кожного покрова (точек акупунктуры, зон Захарьина-Геда, диагностических точек Фолля), судя по известным публикациям, согласно большинство исследователей, до сегодняшнего для вопрос получения информации об их состоянии полностью не решен. Причем I/ наблюдающийся в последнее время прогресс в области обработки и выдачи информации практически не коснулся важной стороны - достоверности ее получения и обработки.

Более того распространено мнение, что с помощью известных на настоящее время технических средств невозможно получить хорошую воспроизводимость и повторяемость получаемых результатов при измерении квазистатических электрических свойств локальных зон биологического организма. Это во многом является следствием проблем, связанных с особенностью объекта измерений, несовершенством технических средств, с помощью которых получают измерительную информацию, малого ее объема, получаемого при использовании обычно применяемых измерительных операций, отсутствием систем, обеспечивающих сбор информации о параметрах отдельных зон объекта, эффективных алгоритмов ее обработки и выдачи в виде удобном для использования. При решении этих проблем в руках исследователей окажется технический инструмент, который позволит расширить знания о физических свойствах биологических тканей и влиянии на них патологий и внешней среды. Будут созданы предпосылки для разработки методик сверхранней диагностики, стоимость которой будет небольшой, а результаты будут достаточно объективными.

Поэтому тема диссертационной работы актуальна и имеет важное научное значение.

Данная работа проводилась в соответствии с единым заказ-нарядом Уфимского государственного авиационно-технического университета (договор АП-ИТ-33-96-03).

Целью диссертационной работы являются исследования методов увеличения объема информации об электрических свойствах локальных зон кожного покрова и путей построения соответствующих измерительных систем.

Для достижения этой цели решены следующие задачи:

1) исследован объект измерений как квазистатическая электрическая система;

2) проведен анализ методов, используемых для измерения электрических свойств биологического объекта;

3) предложены измерительные операции, совокупность которых позволит увеличить объем информации об электрических свойствах биологической ткани;

4) оценены порядки величин воздействия на объект, используемых при проведении измерительных операций;

5) разработаны структурные схемы измерительных систем, которые реализуют совокупность предложенных измерительных операций;

6) разработаны оригинальные функциональные узлы, необходимые для реализации предложенных измерительных систем, исследованы и оценены их технические параметры и характеристики;

7) исследован метод математической обработки результатов, полученных при проведении совокупности измерительных операций.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1) для увеличения объема информации об электрических параметрах биологических объектов предложено проводить совокупность измерительных операций, выполняемых последовательно в разных электрических режимах;

2) исследованы электрические параметры локальных зон биологической ткани в разных электрических режимах, установлены требования к параметрам измерительных каналов систем;

3) разработаны подходы к построению и структурные схемы ИИС, реализующих совокупность предложенных измерительных операций;

4) исследованы оригинальные функциональные узлы необходимые для построения измерительных систем и оценены их технические возможности;

5) предложен метод идентификации параметров групп элементов, входящих в эквивалентную схему биологического объекта.

Практическую ценность имеют:

1) разработанные алгоритмы работы измерительных систем;

2) результаты экспериментального и теоретического исследований электрических

свойств биологического объекта;

3) полученные зависимости установления постоянного значения рассеиваемой в объекте измерения мощности для разных схем генераторов заданной мощности, применяемых в ИС;

4) характеристики оригинальных функциональных узлов, входящих в системы;

5) результаты обработки измерительной информации по рассмотренному методу.

На защиту выносятся:

1) оценочные результаты исследований электрических свойств объекта измерений;

2) оригинальные подходы к увеличению �