ͥ婶鮱롿 ޫ櫲񯮭ὠ¨⬨ﳥ랠rosmedic.ru
Главная arrow Приборные медицинские методы диагностики и лечения arrow Электрические методы диагностических исследований arrow Методы получения информации о квазистатических значениях сопротивлений и их изменениях
Методы получения информации о квазистатических значениях сопротивлений и их изменениях

Из-за большого числа факторов, влияющих на значения электрических параметров, получаемых в результате выполнения измерительных операций, при их оценке следует использовать хорошо воспроизводимые методы воздействия на биологический объект. Только при идентичности условий, при которых осуществляется получение измерительных сигналов, можно сравнивать между собой получаемые результаты.

При измерениях электрических сопротивлений возможно использовать один из следующих трех методов:

  • к объекту измерений прикладывается известная разность электрических потенциалов и измеряется значение электрического тока, протекающего в цепи;
  • через объект измерений пропускается известное значение электрического тока и измеряется созданное им падение напряжения;
  • к объекту измерений прикладывается известное значение электрической мощности и измеряется или электрический ток в цепи, или электрическое напряжение.

Режимы с электрическими параметрами, которые в измерительной цепи являются неопределенными, применять нецелесообразно при измерениях сопротивлений (проводимостей) у биологических объектов. Это есть следствие того, что объект измерений относится к числу существенно нелинейных (теплозависимых). Поэтому даже у одного и того же участка биологической ткани нельзя сравнивать между собой результаты, полученные при разных электрических режимах.

На практике пока применяются только два первых метода получения информации о значениях электрического сопротивления. Третий метод автор предложил использовать сравнительно недавно и многие важные вопросы его применения пока разработаны недостаточно.

Для первых двух методов характерен общий недостаток. Он заключается в том, что в объекте рассеивается разное количество электрической энергии в единицу времени. Степень возмущения, вносимого в объект средством измерения, зависит от электрических параметров самого объекта. Поэтому трудно рассчитывать на хорошую воспроизводимость результатов измерительных операций и на простую интерпретацию получаемых данных.

При использовании третьего метода этот недостаток отсутствует, так как мощность, рассеиваемая в объекте измерений, не зависит от его электрических параметров. Возмущение, вносимое в термодинамическое состояние, будет известным и постоянным для любого объекта. Основная проблема с его практическим использованием заключается в плохой разработанности вопросов реализации высококачественных источников (генераторов) электрической мощности.

На рис. 1 схематично показана реализация метода, при котором к объекту измерения прикладывается известное электрическое напряжение Е и оценивается созданный им электрический ток с помощью микроамперметра, имеющего малое внутреннее сопротивление. При этом методе временная реакция биологического объекта зависит от температурного коэффициента изменения его электрического сопротивления. Если он отрицательный, то под влиянием рассеиваемой в нем электрической мощности, сопротивление объекта уменьшается. Электрический ток, характеризующий электрическую проводимость, увеличится. И этот процесс будет протекать до тех пор, пока в объекте не наступит новое состояние термодинамического равновесия. В этом случае взаимодействие средства измерений и объекта измерений приводит к уменьшению его электрического сопротивления и увеличению электрического тока через него. Про этот процесс можно сказать, что в объекте действует своего рода положительная обратная связь, увеличивающая отклонение сопротивления от исходного значения.

Image
Рис. 1 Измерение электрической проводимости биологической ткани в режиме заданного электрического напряжения

При положительном температурном коэффициенте у объекта измерений под влиянием электрического тока сопротивление у объекта увеличивается, а ток через него уменьшается. Это приводит к уменьшению рассеиваемой в нем электрической мощности и к снижению изменения электрического сопротивления. В этом случае действует своеобразная отрицательная обратная связь, уменьшающая отклонение сопротивления объекта от исходного значения.

На рис. 2 схематично показана реализация второго метода, когда через объект измерения пропускается известное значение электрического тока. Он создается источником (генератором) электрического тока

.

Падение напряжения, созданное им, измеряется с помощью милливольтметра. В этом случае при отрицательном температурном коэффициенте у объекта рассеиваемая в нем электрическая мощность уменьшается, что приводит к снижению величины изменения электрического сопротивления.

Действует внутренняя отрицательная обратная связь. При положительном температурном коэффициенте под влиянием рассеиваемой мощности сопротивление объекта увеличивается. Это приводит к увеличению рассеиваемой мощности и дальнейшему повышению электрического сопротивления. Процесс продолжается до установления нового состояния термодинамического равновесия. В этом случае действует внутренняя положительная обратная связь.

Image
Рис. 2 Измерение электрического сопротивления ткани в режиме заданного электрического тока

Если бы действовали только эти факторы, то по временным изменениям электрического сопротивления, показываемого техническим средством, при известной схеме измерительной цепи можно бы было судить о температурном коэффициенте электрического сопротивления у данного участка биологической ткани.

На рис. 3 схематично показана структура устройства, обеспечивающего измерение сопротивления в режиме известного и постоянного значения электрической мощности, рассеиваемой в объекте измерений. Она обеспечивается с помощью источника электрической мощности Р

P=u∙i = const

Image
Рис. 3. Измерение электрического сопротивления в режиме заданной мощности (P=ui = const)

Если измеряется электрический ток в цепи с помощью микроамперметра, то оценивается величина электрического сопротивления. При изменении падения напряжения микровольтметром оценивается электрическая проводимость. В этом случае возмущение термодинамического состояния постоянно и неизменно для объектов с любыми температурными коэффициентами. Воспроизводимость режима, в котором проводится измерительная операция, лучше, чем при использовании первых двух методов. При протекании через электроды постоянного электрического тока происходит их поляризация. Поляризация возникает вследствие того, что скорость подведения "реагирующего вещества" к поверхности электрода значительно меньше скорости разряда частиц на электродах. Поэтому потенциалы электродов меняются относительно тех значений, которые были в равновесном состоянии без электрического тока.

Значения поляризации зависят от скоростей электродных процессов и размеров их рабочей поверхности. При малых плотностях электрического тока поляризация практически не проявляется. С определенного значения плотности тока поляризация начинает существенно увеличиваться, и потенциал поляризуемого электрода начинает изменяться. Материал электрода оказывает существенное влияние на величину поляризации. Так у хлорсеребряных электродов обмен ионами между электродами и электролитом полностью заторможен и они не поляризуются. Большинство существующих материалов относится к числу поляризуемых, причем поляризация зависит от полярности напряжения на электроде. Общее представление о ходе катодных и анодных поляризационных кривых для электродов из разных материалов дают рис.4 и 5.

Image
Рис. 4. Поляризационные кривые электродов из Au, Pt, Ni, Си (рабочая поверхность 3,5 • 10 2 см2): u - поляризация электрода (мВ); J-плотность электрического тока (А/см2)
Image
Рис. 5 Поляризационные кривые электродов из Si, W, Mo, Ag (рабочая поверхность 3,5  102 см2): · - поляризация электрода (мВ); J- плотность электрического тока (А/см2)

Область идеальной поляризуемости ограничена напряжением, при котором возникает диссоциация растворителя на паре инвертных электродов. Для воды при температуре 25°С это напряжение составляет 1,23 В . В работе со ссылкой на исследования Розенталя, проведенные в 40-е годы, утверждается, что при смачивании кожи насыщенным раствором КС1, диссоциация воды на ионы Н + и ОH - происходит при напряжении между электродами большем, чем U=2В. По мнению автора этой работы, при напряжении между электродами менее 2В преобладает явление поляризации электродов. При U>2В изменение сопротивления биологической ткани в течение времени происходит, в основном, за счет диссоциации воды в зоне рогового слоя и эпидермисе на ионы Н + и ОH -

Таким образом, наличие электрического тока в биологической ткани при измерении сопротивления или проводимости с помощью контактных металлических электродов, приводит к появлению временной нестабильности из-за поляризационных явлений и диссоциации воды в поверхностных слоях кожного покрова.

Важно отметить, что измерительные цепи (рис. 1, 2), исходя из вышесказанного, совсем не эквивалентны. Так, в измерительной цепи (рис. 2) напряжение между электродами зависит от сопротивления биологической ткани. В зависимости от него будут преобладать изменения сопротивления, вызванные или поляризацией электродов (при U<2B) или диссоциацией воды (при U>2B). Необходимо отметить, что значение электрического тока и степень поляризации электродов u меняется в зависимости от проводимости биологической ткани. Поэтому результаты измерений также будут меняться с течением времени. Но причиной их изменения, в первую очередь, будет являться разная поляризация электродов, установленных на биологических тканях, имеющих разные электрические проводимости. Степень диссоциации воды при заданном напряжении должна изменяться незначительно.

При использовании неполяризующихся электродов измерительная цепь с заданным напряжением на электродах, с точки зрения уменьшения влияния поляризации и диссоциации воды на временную стабильность показаний, выглядит более предпочтительной.

Поляризацию электродов на эквивалентной электрической схеме учитывают или с помощью включенных последовательно резистора и конденсатора, значения которых есть функция частоты (рис. 6), или с помощью соединенных параллельно резистора и конденсатора (рис. 6).

Кроме рассмотренного, на поверхности электрода могут возникать химические реакции, которые называют гетерогенными.

Для их учета в эквивалентную схему вводят параллельно соединенные конденсатор и резистор.

Image
Рис.6 Эквивалентные электрические схемы соединения элементов, с помощью которых учитывается поляризация электродов: а - последовательное соединение элементов; б - параллельное соединение элементов

Эквивалентную схему границы раздела металлического электрода и электролита в зоне кожного покрова под измерительным электродом можно представить в виде, представленном на рис. 7

Image
Рис. 7 Эквивалентная схема границы раздела металлического электрода и жидкости в кожном покрове

В ней параллельно емкости С7 двойного электрического слоя подключены соединенные последовательно пары из резистора R8, конденсатора C8 и резистора R9, конденсатора С9. Резистор R8 и конденсатор С8 отражают поляризационные явления, а резистор R9 и конденсатор С9 - гетерогенные реакции.

Так как все элементы данной эквивалентной схемы взаимосвязаны, нелинейны и зависят от частоты электрического тока, то она представляет интерес только с точки зрения понимания факторов, влияющих на результаты измерений. Более того, из-за нелинейности этих параметров при пропускании через цепь электрического тока синусоидальной формы, падение напряжения будет несинусоидальным. В спектре его будут присутствовать высшие гармоники. Аналогично, в спектре электрического тока при заданном синусоидальном напряжении между электродами появятся высшие гармоники.

Правда, существует возможность за счет конструктивных и технологических мер уменьшить влияние поляризации электродов. Для этого требуется рационально выбрать их материал, тщательно обработать (отполировать) поверхность, использовать дополнительную пару или один дополнительный измерительный электрод, через которые не протекает электрический ток. Дополнительные электроды следует размещать рядом с основными и с помощью их определять падение напряжения на биологической ткани или поддерживать заданное значение приложенного к ней напряжения. При введении их будет реализовываться трехзажимная или четырехзажимная измерительные схемы, аналогичные тем, которые применяются для измерения очень малых сопротивлений. Они позволяют устранить влияние переходных сопротивлений, имеющихся в цепи с источником электрического тока.

Так как вышерассмотренные факторы в известных медицинских приборах, как правило, не учтены, то при проведении измерений с помощью измерительных схем обоих типов (рис. 1, рис. 2) имеются существенные методические погрешности. Причем, так как измерения проводятся на биологической ткани, параметры которой зависят как от электрического тока, так и от электрического напряжения, численные результаты будут существенно изменяться в зависимости от значений заданного тока или напряжения измерительной цепи.

Комапния Turkey100 предлагет горящие туры в Турцию из Москвы. Курорты в Турцию для молодежи молодежи,семейных пар, отдыха с детьми.

 
« Пред.   След. »
 
 
Rambler's Top100