Содержание к диссертации
Введение
Глава I Энергетические свойства биологических тканей 18
1.1 Электрические свойства биологических тканей в статическом режиме 18
1.2 Биоэлектрическая активность при возбуждении клеток 27
1.3 Вопросы построения устройств для измерения электрических параметров биологических объектов 35
Выводы по главе 43
Глава 2 Мощностные параметры биологических тканей как источник информации о ее состоянии , 44
2.1 Метод непосредственной оценки максимальной электрической мощности, характеризующей электрические свойства биологической ткани 44
2.2 Косвенный метод оценки максимальной электрической мощности, отдаваемой в нагрузку биологической тканью 51
2.3 Метод разновременного уравновешивания измеряемой максимальной электрической мощности 54
2.4 Вопросы реализации устройств для измерения максимальной мощности, отдаваемой в нагрузку биологической тканью 56
Выводы по главе 58
Глава 3 Информационные электрические сигналы, полученные в различных режимах 59
3.1 Общие подходы получения информации об электрических свойствах биологической ткани 59
3.2 Информационные сигналы, характеризующие разность потенциалов и ее изменения в режиме холостого хода 61
3.3 Информационные сигналы, характеризующие режим короткого замыкания биологической ткани 72
3.4 Информационные сигналы, характеризующие режим воздействия на биологическую ткань заданной электрической мощностью 79
3.5 Некоторые рекомендации к вопросам получения информации об электрических свойствах биологической ткани 84
Выводы главе 86
Глава 4 Элементы и функциональные узлы устройств используемых для получения информации об электрических свойствах биологической ткани , 88
4.1 Особенности электродов, работающих в разных электрических режимах в течение малых промежутков времени 88
4.2 Способы оценки параметров электродов для многорежимных устройств 91
4.3 Требования к функциональным узлам, которые должны обеспечивать режим короткого замыкания 100
4.4 Функциональные узлы, обеспечивающие режим короткого замыкания биологической ткани 103
4.5 Устойчивость преобразователей «ток-напряжение», преобразующих электрические токи биологической объекта 117
4.6 Исследование процесса восстановления выходного напряжения в режиме короткого замыкания в предложенных схемах 128
4.7 Анализ данных полученных при моделировании схем и решений уравнений 132
Выводы по главе 136
Глава 5 Экспериментальные исследования электрических свойств биологической ткани и оценка информационной значимости измеряемых параметров 138
5.1 Приборы, установки и методология экспериментальных исследований 138
5.2 Экспериментальные исследования электрических параметров локальных зон биологической ткани при воздействии электрической мощностью 145
5.3 Экспериментальные исследования электрических свойств локальных зон биологической ткани при замыкании накоротко измерительных электродов и малом времени предварительного энергетического воздействия 149
5.4 Экспериментальные исследования электрических свойств локальных зон биологической ткани при замыкании измерительных электродов на малый промежуток времени 154
Выводы по главе 159
Заключение 162
Список литературы 165
Приложение
- Вопросы построения устройств для измерения электрических параметров биологических объектов
- Косвенный метод оценки максимальной электрической мощности, отдаваемой в нагрузку биологической тканью
- Информационные сигналы, характеризующие разность потенциалов и ее изменения в режиме холостого хода
- Требования к функциональным узлам, которые должны обеспечивать режим короткого замыкания
Введение к работе
Актуальность темы. Электрические параметры и свойства многих объектов неживой природы достаточно хорошо исследованы. На их основе созданы многочисленные сенсоры и датчики параметров физических величин, широко применяемые в измерительной технике. Это есть результат того, что электрические сигналы легко поддаются обработке с помощью известных средств электроники. Поэтому одной из основных тенденций при получении информации об интересующих параметрах или характеристиках процессов является преобразование их в электрические сигналы, с последующей их обработкой.
Гораздо сложнее обстоит дело с получением информации о состоянии объекта, имеющего биологическую природу. Электрические измерения на таких объектах обычно имеют плохие показатели стабильности и воспроизводимости. Это в определенной степени является результатом нестационарности параметров биологического объекта, достаточно быстрых изменений их в ответ на внешние воздействия физическими, химическими и психическими факторами. Поэтому принято считать, что электрические параметры биологического организма (БО) дают информацию только качественного характера, позволяющую предположительно сделать выводы об имеющихся в нем изменениях и отклонениях от тех значений, которые считают физиологической нормой для данного организма.
При этом в качестве информационных сигналов в основном используются колебания электрического потенциала между зонами на биологической ткани (БТ) (электрокардиография, электроэнцефалография, электромиография) или колебания электрического сопротивления, измеренные в режиме заданного высокочастотного электрического тока, протекающего через объект (реография). Информационная значимость электрических сигналов, снимаемых с локальных зон БО, а также электрические свойства БТ изучены недостаточно. Широко используемые методы получения информации в виде колебаний электрического сопротивления и разности потенциалов между локальными зонами не исчерпывают всех возможностей получения информации об электрических свойствах локальной зоны сложного энергозависимого объекта, каким является БО.
Поэтому в данной области было и остается актуальным проведение исследований по нахождению дополнительных способов получения информации о процессах, происходящих в БО, и установлению условий измерений, при которых информационные сигналы остаются относительно стабильными. Необходимо определить требования, предъявляемые к построению технических средств для реализации таких измерений, разработать
функциональные узлы, отвечающие этим требованиям, и создать на их основе технические средства, позволяющие получать интересующую информацию.
Целью 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:
S Систематизированы сведения об электрических свойствах биологических объектов и способах их оценки.
S Разработаны оригинальные методы оценки электрических свойств БТ, позволяющие получить дополнительную информацию об ее электрических свойствах и характеристиках.
S Исследованы особенности и технические возможности функциональных узлов электроники, с помощью которых можно реализовать предложенные методы получения информации об электрических свойствах локальных зон БТ.
S 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:
Предложено величину раздражения БТ и необходимую для этого длительность воздействия оценивать величиной электрической энергии, необходимой для возбуждения БТ.
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).
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.
Получены результаты количественных оценок электрических свойств БТ в предложенных режимах измерений при выполнении предложенной совокупности измерительных операций.
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:
Результаты оценки электрических сигналов, регистрируемых в локальных зонах шБТъ различных электрических режимах.
Методики проведения измерительных операций, обоснованная последовательность их чередования и рекомендации по конкретным количественным значениям времен и интенсивностей воздействия.
Предложенный режим оценки электрического сопротивления БТ, который имеет лучшую определенность и термодинамическую воспроизводимость по сравнению с используемыми в настоящее время.
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.
Результаты систематизации информации об электрических свойствах БТ.
Предложения по оценке электрических свойств локальных зон БТ, возможные подходы к проведению измерений и построению соответствующих измерительных систем.
Результаты исследований по получению информации путем использования совокупности измерительных операций, различающихся электрическими режимами БТ.
Схемы построения и результаты исследований функциональных узлов, которые необходимы для реализации предложенных структур измерительных систем и выполнения соответствующих измерительных операций.
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.
Вопросы построения устройств для измерения электрических параметров биологических объектов
Разработка средств измерения для медицинских исследований может коренным образом изменить представление о путях решения задач контроля за состоянием биологического объекта. Трудности контроля физиологического и психического состояния усугубляются тем, что эти состояния развиваются спонтанно. Являясь рефлекторными по природе, эти состояния представляют собой в широком смысле слова реакции на окружающую среду. Таким образом, возникает необходимость учитывать при контроле как характеристики состояния биологического объекта, так и характеристики окружающей среды. В случае проведения операций оценки состояния биологического объекта с внесением в него дополнительной энергии (тепловой, электрической) возникает также необходимость учитывать и ее действие на объект. А так как, например, количество рассеиваемой в объекте электрической энергии зависит от его (объекта) сопротивления, а сопротивление может зависеть от многих факторов как от внутренних, так и от внешних (окружающей среды), то в этом случае возникает неопределенность с определением рассеиваемой энергии. Поэтому разработка измерительных схем с возможностью рассеивания постоянного значения электрической энергии при определении электрических параметров биологических объектов выглядит весьма перспективным направлением в современной науке.
Для оценки электрических свойств различных объектов используются многочисленные электроизмерительные преобразовательные приборы и устройства. Они, как правило, спроектированы исходя из предположения, что электрические свойства объекта измерений остаются неизменными при разных значениях рассеиваемой в них электрической энергии. Поэтому особенности электрического режима измерительной цепи обычно специально не оговариваются в технических условиях на прибор (не нормируются) и, соответственно, поверка их не проводится. Так, например, при измерениях сопротивлений или импедансов измерительное средство поверяется с целью установления соответствия его показаний действительным значениям измеряемой величины и выяснения значений погрешностей в точках поверки или во всем диапазоне. При этом энергетический режим измерительной цепи специально не проверяется и неизменность его параметров интереса не представляет. Более того, измерительные цепи стремятся проектировать так, чтобы изменения их электрических режимов не приводили бы к погрешностям преобразования интересующего электрического параметра. Такой подход дает прекрасные результаты в технике, в случаях, когда оцениваются электрические характеристики линейных (нетеплозависимых) объектов.
Если приходится оценивать электрические свойства энергозависимых объектов, то такой подход не всегда оказывается верным. Под термином энергозависимый подразумеваются объекты, электрические параметры которых зависят от уровня воздействующей на них электрической энергии, в том числе и при проведении измерительных операций. Частным случаем энергозависимых объектов являются теплозависимые или нелинейные объекты. Причем термины теплозависимый или нелинейный характеризуют одно и тоже физическое свойство. Если объект теплозависимый, то при рассеиваемой в нем электрической мощности или энергии параметры его будут изменяться и вольтамперная характеристика будет обязательно нелинейной. И наоборот, если вольтамперная характеристика нелинейна, то параметры объекта меняются при изменении рассеивания в нем электрической мощности или энергии.
Теплозависимые объекты с точки зрения оценки их электрических свойств значительно сложнее, чем теплонезависимые. Их параметры и характеристики можно сравнить между собой только тогда, когда они измеряются при одинаковых внешних энергетических воздействиях. Так если, например, объекты относятся к числу теплозависимых, то сравнивать их параметры между собой можно тогда, когда при выполнении измерительных операций в них вводится одинаковое количество теплоты и они находятся в средах с одинаковыми температурами и газовыми составами.
Это положение недостаточно учитывается при построении измерительных преобразователей. В результате, параметры теплозависимых объектов оцениваются по результатам выполнения измерительных операций проведенных в режимах заданного электрического тока, протекающего через него, или заданного падения напряжения. При этом разработчики аппаратуры часто считают, что если они обеспечили определенность с параметрами электрического режима, то могут сравнивать между собой и объяснять результаты, полученные при измерениях параметров различных теплозависимых объектов. В действительности это не так. Ни режим заданного тока в измерительной цепи, в состав которой включен объект измерений, ни режим заданного значения падения напряжения на нем не позволяют получить однозначную взаимосвязь с внешним энергетическим воздействием на объект измерений. Соответственно, не вполне корректно сравнивать между собой результаты измерений параметров энергозависимых объектов, полученные в неопределенных режимах внешнего энергетического воздействия.
Накопленные знания и выпускаемая промышленностью элементная база электроники дают возможности создать измерительные цепи и устройства нового типа. Их характерной особенностью является то, что при выполнении измерительных операций в подключенном к ним объекте рассеивается определенное заданное значение электрической мощности или электрической энергии.
Причем, если процесс установления состояния динамического теплового равновесия с окружающей средой протекает достаточно быстро, целесообразно использовать режим заданного значения или значений электрической мощности, рассеиваемой в рассматриваемом объекте. Под это утверждение попадают случаи, когда оцениваются свойства или параметры объектов с нелинейной вольтамперной характеристикой. Если процессы установления теплового равновесия протекают достаточно долго, то следует использовать режимы заданной электрической энергии, рассеиваемой в объекте измерений в течение определенного времени. Другими словами необходимо задавать постоянную среднюю мощность электрического воздействия и время, в течение которого оно будет осуществляться.
Время, как правило, должно превышать длительность установления состояния динамического равновесия. Так как такие переходные процессы обычно моделируются с использованием дифференциального уравнения первого порядка, в решении которого имеется постоянная времени г, то в зависимости от желаемой точности получения результатов время воздействия должно превышать значение Зг или 5г (для большей точности).
Другими словами, интересующие параметры следует измерять после завершения переходного процесса установления динамического равновесия между объектом, подвергающимся внешнему энергетическому воздействию, и окружающей его средой. В общем случае температура среды также будет влиять на результаты, полученные при выполнении измерительных операций.
Таким образом, для однозначной оценки электрических свойств и параметров энергозависимых объектов требуется существенно усложнять структуры измерительных устройств и преобразователей и измерительные операции выполнять при известной температуре окружающей среды.
Из-за того, что вышеизложенное плохо учитывалось ранее при получении информации об электрических свойствах жидкостей, в частности их сопротивлений, сложилось мнение о невозможности получения хорошо повторяемых и воспроизводимых результатов при наличии в составе объекта жидких сред. Не удалось получить хорошей повторяемости результатов в медицине и биологии, частично из-за того, что при проведении измерительных операций в биологическую ткань вводилась разная электрическая энергия и мощность. А так как биологический организм относится к числу существенно теплозависимых объектов, то положительных результатов без учета вышеизложенного ожидать было нельзя. В итоге в литературе по медицине и биофизике приводятся данные об отдельных электрических сопротивлениях различных органов и биологических тканей без характеристик режимов измерительных цепей, в которых они были определены. К естественному разбросу параметров, имеющихся у биологических тканей различных организмов, добавляются погрешности обусловленные неопределенностью энергетического внешнего воздействия, неизбежного при проведении измерительных операций с помощью известных измерительных преобразователей. В этом плане возникают сомнения в достоверности качественных оценок и ряда графиков, полученных в биофизике и нейробиологии. Они основаны на том, что оцениваемым фактором, раздражающим биологическую ткань и нервные клетки, является электрический ток, так как исследователи биоэлектрических свойств имели в своем распоряжении аппаратуру, позволяющую производить измерения только этого параметра.
Косвенный метод оценки максимальной электрической мощности, отдаваемой в нагрузку биологической тканью
При оценке мощностных электрических параметров биологических тканей возможно использование косвенных методов. Наиболее прост в реализации метод, при котором измеряются: падение напряжений на биологической ткани в режиме холостого хода (при большом значении сопротивления нагрузки); электрический ток через неё в режиме короткого замыкания участка биологической ткани. При холостом ходе участка биологической ткани его ЭДС равна Uxx. При коротком замыкании электрический ток в цепи равен Таким способом, измеряя напряжение холостого хода и ток короткого замыкания, можно косвенным методом рассчитать значение максимальной электрической мощности, которая характеризует электроэнергетические свойства биологической ткани. Метод привлекает простотой реализации измерительного устройства. Но для его применения нужно оценить влияние на результаты измерений электрохимических процессов, возникающих при протекании электрического тока. Это важно в связи с тем, что каждый электрод, являющийся проводником первого рода, образует с биологической тканью (проводником второго рода) гальванический полуэлемент. Электрохимические процессы будут изменять свойства полуэлементов.
Для их уменьшения целесообразно: уменьшить длительность операции короткого замыкания электродов; J увеличить длительность стадии холостого хода по сравнению с длительностью стадии короткого замыкания; S ввести дополнительную операцию, которая не является измерительной. Во время неё электрический ток протекает в противоположную сторону и значение его и длительность равны тем значениям, которые были при коротком замыкании электродов. Этот ток, по замыслу, должен пополнить убыль электрической энергии, происшедшей при коротком замыкании. При реализации третьего предложения целесообразно последовательно выполнять три операции: ? При первой - электроды работают в режиме близком к холостому ходу. Запоминается ЭДС снимаемая с биологической ткани в течение определенного промежутка времени. ? При второй измерительной операции электроды замыкаются накоротко, и запоминается значение электрического тока через них. ? При третьей операции электрический ток, временная зависимость которого была записана во время второй измерительной операции, пропускается в противоположном направлении через электроды установленные на биологической ткани. Тем самым пополняется энергия, рассеянная в цепи во время короткого замыкания. Недостаток метода в том, что при протекании электрического тока в биологической ткани рассеивается джоулево тепло. Оно нарушает существующий в биологической ткани тепловой баланс.
При третьей операции это нарушение увеличится почти в два раза, если считать этот процесс близким к линейному. Следует отметить, что теплота будет рассеиваться при любом методе измерения мощности. Несмотря на этот недостаток, метод представляется весьма перспективным и удобным для практического применения, Он позволяет расчетным путём также определить и внутреннее сопротивление биологической ткани. Структурная схема устройства, в котором реализован косвенный метод определения максимальной электрической мощности, приведена на рисунке 2.3. В нём напряжение между участками на биологической ткани в режиме холостого хода измеряется (усиливается) усилителем 1. Он имеет большое входное сопротивление и подключен к пиковому детектору (ПД1) 3. Если переключатель S находится в положении 1, то на выходе пикового детектора ПД1 будет постоянное напряжение, пропорциональное максимальной разности потенциалов между электродами, установленными на биологической ткани. При переключении переключателя S в положение 2 биологическая ткань окажется замкнутой накоротко через малое входное сопротивление преобразователя «ток-напряжение» (ПТН) 2. Максимальное значение электрического тока короткозамкнутых электродов запоминается с помощью пикового детектора ПД2 4, который подключен к выходу ПТН. Напряжения, пропорциональные напряжению в режиме «холостого хода» электродов U\ и максимальному значению электрического тока в режиме их короткого замыкания U2, перемножаются в перемножителе напряжений 5, а результат измеряется в измерителе мощности 6. Управление работой устройства обеспечивается блоком управления 7. Его сигналы управляют переключателем S, а также обнуляют запомненные значения в пиковых детекторах 3 и 4. При измерениях максимальной электрической мощности можно использовать метод разновременного уравновешивания определяемой величины. Для этого целесообразно использовать следующий алгоритм. Сначала в режиме холостого хода измеряется и запоминается разность потенциалов между электродами. Затем электроды замыкаются накоротко, и измеряется и запоминается значение электрического тока. Перемножением значений напряжения и электрического тока находится электрическая мощность и запоминается затраченная электрическая энергия. К электродам прикладывается напряжение или ток, и измеряется электрическая мощность. Причем воздействие ведется до момента, в который воздействующая электрическая энергия станет равной её убыли в течение измерительной операции короткого замыкания электродов. Значение компенсирующей энергии или мощности характеризуют искомый параметр. Одна из возможных структур, с помощью, которой можно реализовать данный метод, приведена на рисунке 2.4. В этой структуре в положении 1 переключателя S1 измеряется разность потенциалов, имеющихся между электродами. В момент переключения 57 в положение 2 разность потенциалов запоминается в устройстве выборки-хранения 3. В этом случае (57 в положении 2, S2 в положении 1) электроды замыкаются накоротко через малое входное сопротивление преобразователя «ток-напряжение» (ПТН) 2. В перемножителе 4 запомненное значение разности потенциалов умножается на ток короткого замыкания и запоминается в УВХ5. Сигнал перемножителя интегрируется интегратором б. Выходное напряжение интегратора 6 усиливается усилителем 11 и через переключатель S2, который к этому моменту переводится в положение 2, к ПТН окажется приложенным напряжение, пропорциональное энергии, затраченной при проведении измерительной операции. Через ПТН 2 и ключ S1, который находится в положении 2, потечет электрический ток, который умножается в перемножителе 7 на значение прикладываемого к биологической ткани напряжения. С выхода перемножителя 7 результат перемножения, пропорциональный электрической мощности, подается на второй вход интегратора 6. Этот сигнал изменяет выходной сигнал интегратора в противоположном направлении, относительно сигнала с УВХ 5. Для сравнения выходного сигнала интегратора 6 используется сравнивающее устройство 10, в качестве которого использован усилитель с большим коэффициентом усиления. Выходной сигнал усилителя 11 создает электрическую мощность, рассеиваемую в биологической ткани, которая уравновешивает мощность на выходе УВХ 5, полученную путем перемножения разности потенциалов между электродами и тока короткого замыкания электродов.
Информационные сигналы, характеризующие разность потенциалов и ее изменения в режиме холостого хода
Из перечисленных выше измерительных операций первой целесообразно измерять разность потенциалов между интересующей локальной зоной и зоной, взятой за базовую. Причем базовая зона должна иметь достаточно большую площадь, чтобы в ней усреднялись показатели отдельных локальных зон, а плотность электрического тока и мощности, при воздействии электрической энергией, была бы не менее чем в 10-100 раз меньше, чем в диагностируемой локальной зоне.
При измерении разности потенциалов в локальной зоне регистрируется сигнал, имеющий постоянную и переменную составляющие. Как показали наши исследования, постоянная составляющая, видимо, возникает между слоями эпидермиса. Так, введение иглы на глубину в доли миллиметра приводило к исчезновению основной части постоянной составляющей. Это позволило сделать вывод о том, что постоянная составляющая разности потенциалов в конкретной локальной зоне зависит от функционирования и свойств эпидермиса в данной зоне. При измерениях использовался активный электрод диаметром 2 мм и цилиндрический электрод, состоящий из двух секций в виде гребенок, вставленных друг в друга с расстоянием между зубцами в 0,2 - 0,5 мм, покрытых никелем. Разность потенциалов была измерена в двух вариантах: при практическом отсутствии давления на зону, подвергавшуюся исследованию и при механическом воздействии на нее. Измерения были проведены в двух зонах на левой руке. Это зона точки Хе-ГУ (IV GI) и зона вблизи нее.
При малом усилии механического воздействия на локальную зону (слабое касание поверхности) Хе-ГУ электродом были получены пачки колебаний квазисинусоидальной формы. Сигнал между пачками изменялся сравнительно мало, хотя на нем присутствовали более высокочастотные колебания. Интересно то, что после проведения электрических режимов короткого замыкания биологической ткани и воздействия заданной электрической мощностью разность потенциалов между зонами даже в течение времени установления стационарного значения состоит из подобных же пачек импульсов квазисинусоидальной формы (рисунок 3.1). Наблюдалась длительность колебаний порядка 6-7 мс, частота порядка 650-670 Гц, длительность промежутка между пачками порядка 4 мс.
Такая же картина в этой зоне наблюдалась в случае, когда полярность напряжения мощности, воздействующая на биологическую ткань, менялась на противоположную (рисунок 3.2).
Их сложнее отнести к квазипериодическим сигналам, так как длительности соседних участков и формы колебаний существенно различаются. Длительности отдельных пиков напряжения существенно больше длительности колебаний, которые были при простом касании электродом.
При механическом воздействии на биологическую ткань начинают генерироваться различные по величине колебания, каждое из которых имеет свою форму и свои параметры. Не исключено, что на них накладываются напряжения, которые начинаются генерироваться мышцами и двигательными единицами. Колебания между пачками, . имевшимися в невозбужденном состоянии, увеличиваются. Изменилось также соотношения между ними. Так при слабом касании соотношение между размахами колебаний в пачке и между ними оцениваются числами 6-7, а при нажатии числами 2-4. Изменение электрических режимов на стадии восстановления принципиально не меняет соотношения между сигналами в этих двух фазах. При механическом воздействии на колебания в обеих фазах оказываются наложенными колебания, изменяющиеся по синусоидальному закону с периодом порядка 21,2 - 22,9 мс (48 - 44 Гц). При слабом касании изменения амплитуды происходят с частотой такого же порядка (рисунок 3.1, рисунок 3.2). Предположительно, что в режиме холостого хода процессы генерации колебаний, снимаемых с биологической ткани, накладываются на синусоидальный сигнал частотой около 50 Гц, В других случаях на колебания в одной фазе (малые) практически не наложены другие сигналы, а в другой фазе существенно наложены другие, более низкочастотные сигналы (рисунок 3.4).
Требования к функциональным узлам, которые должны обеспечивать режим короткого замыкания
При построении измерительных устройств, преобразователей и систем, необходимо иметь функциональные узлы, обеспечивающие получение режима короткого замыкания у входных электродов, которые преобразовывали бы в электрический сигнал ток, протекающий в цепи входа. Без таких узлов трудно измерять электрические токи, протекающие на различных участках исследуемой электрической цепи; трудно создать режимы короткого замыкания, которые имеют улучшенную защиту от внешних наводок; затруднена оценка электрических свойств объектов биологической природы.
На сегодняшний день эта задача решается с помощью пассивных устройств, когда электрическая цепь замыкается накоротко с помощью малого резистора, или обмотки трансформатора тока, или с помощью активного устройства. Падение напряжения на резисторе или электрический ток вторичной обмотки трансформатора тока масштабируются или изменением номинала резистора или выбором соотношения между количеством витков первичной и вторичной обмоток. Активное устройство создает электрический ток, равный тому значению, которое было в электрической цепи до его включения.
К активным устройствам данного целевого назначения предъявляются следующие требования: Ї входное сопротивление должно быть достаточно низким, так, чтобы включение в цепь функционального узла не приводило бы к существенным изменениям или перераспределениям между цепями электрических токов; входное сопротивление должно иметь хорошую временную стабильность и мало изменяться при изменениях температуры; коэффициент преобразования входного тока должен иметь требуемое значение и мало изменяться под влиянием меняющихся внешних условий; аддитивная и мультипликативная составляющие погрешности преобразования функционального узла не должны превышать заданных значений;
У разность потенциалов между входными зажимами функционального узла должна стремиться к нулю, так, чтобы его включение не меняло бы электрический ток.
Электронные активные устройства целесообразно использовать только при малых значениях тока электрической цепи, меньших максимального тока, который в состоянии отдать в нагрузку их выходные каскады усиления по мощности. При больших токах альтернативы шунтам и трансформаторам тока пока нет, хотя известны решения, в которых используются полупроводниковые магниточувствительные преобразователи. Но невысокая точность, малая чувствительность и большие дополнительные погрешности при неоправданно завышенной стоимости не способствуют их широкому распространению.
В рамках данной работы рассмотрим только функциональные узлы, с помощью которых преобразуются малые токи в цепях, предназначенных для использования в биологии и медицине. Значения их редко превышают несколько миллиампер, а внутреннее сопротивление исследуемой цепи, как правило, не менее десятков-сотен килом. Поэтому обычно можно считать, что режим короткого замыкания обеспечивается даже при достаточно большом входном сопротивлении функционального узла (порядка десятков-сотен Ом).
Проведенные исследования показали, что электрический ток в цепи, в состав которой входит биологический организм, не меняется при увеличении сопротивления до 100 Ом, а в ряде случаев и более. Поэтому при проектировании электронных активных устройств можно ориентироваться на значение входного сопротивления до 100 Ом. При этом следует стремиться обеспечить малое его увеличение с повышением частоты входного сигнала. Количественная оценка динамического диапазона частотных изменений входного сопротивления зависит от характера задач, решаемых с помощью измерительного устройства. На рисунке 4.5, а показано включение электронного функционального узла, обеспечивающего режим короткого замыкания между цепью и общей шиной. Это наиболее часто встречающийся случай, при котором электрический ток / в цепи обеспечивается электронным функциональным узлом.
При использовании варианта, показанного на рисунке 4.5, б функциональный узел, обеспечивающий короткое замыкание входных зажимов, подключается к любому участку электрической цепи. Схемотехника его такова, что электрический ток всех участков остается неизменным. Поэтому функциональные узлы, эффективные при включении (рисунок 4.5, а), не всегда пригодны для решения задачи, характеризуемой рисунком 4.5, б.
