Российский медицинский информационный ресурс rosmedic.ru
Главная arrow Приборные медицинские методы диагностики и лечения arrow Технические методы диагностических исследований arrow Измерительные цепи устройств для проведения импедансной реоплетизмографии
Измерительные цепи устройств для проведения импедансной реоплетизмографии

Для измерения малых колебаний электрического сопротивления могут быть использованы все методы, применяемые в технике для решения подобных задач. Однако при построении реографических устройств необходимо учитывать особенности, присущие биологическим объектам, а именно: теплозависимость и нелинейность их вольтамперных характеристик. Вследствие их наличия при выборе измерительных цепей необходимо обеспечивать неизменность и воспроизводимость электрических режимов, в которых проводятся измерения электрических параметров. Измерение параметров теплозависимого электрического сопротивления и его временных изменений в неопределенном электрическом режиме приводит к плохой воспроизводимости получаемых результатов, к трудностям в их интерпретации и проблемам с установлением нормы. Это обстоятельство не всегда учитывалось на начальной стадии развития реографии и поэтому в литературе описано достаточно большое, количество реографов с измерительными цепями мостового типа. Во многих из них напряжение и электрический ток через объект измерений зависят от его статических параметров, что создает предпосылки к получению плохой объективности получаемых результатов.

Измерительные цепи должны обеспечивать "работу" объекта измерения или в режиме постоянной электрической мощности, рассеиваемой на нем, или в режиме постоянного значения одного из параметров - электрического тока, протекающего через него, или в режиме заданного падения напряжения на нем.

Лучшим является режим заданной электрической мощности, рассеиваемой в объекте, так как при нем обеспечивается определенность с величиной внешнего энергетического возмущения, вносимого в объект при выполнении измерительной операции.

Вторым по качественным показателям является режим заданного электрического тока. При его использовании параметры объекта изменяются на меньшую величину под влиянием внешнего энергетического воздействия, по сравнению с режимом заданного электрического напряжения на объекте. Это обусловлено следующим обстоятельством. При протекании электрического тока в объекте сопротивление ее Rт , как правило, уменьшается. Это приводит к тому, что уменьшается значение электрической мощности P

Image

рассеиваемой в ней в форме теплоты. В свою очередь, это приводит к тому, что изменение сопротивления биологической ткани под влиянием электрического тока будет меньше по сравнению с любым другим электрическим режимом.

В режиме заданного падения напряжения изменение параметров объекта под влиянием внешнего воздействия оказывается максимальным. Под влиянием электрического тока биологическая ткань нагревается и ее сопротивление, как правило, уменьшается. Это приводит к увеличению тока через нее и увеличению рассеиваемой в ней в форме теплоты электрической мощности Р

Image

Увеличение теплоты приводит к дальнейшему уменьшению электрического сопротивления биологической ткани и так продолжается до получения нового состояния термодинамического равновесия. Он будет существенно зависеть от величины приложенного к ней напряжения U.

Так как в режиме заданного через объект электрического тока действует своего рода отрицательная обратная связь, уменьшающая изменение сопротивления объекта под влиянием внешнего энергетического воздействия, при построении измерительных цепей реографов предпочитают использовать его. Частично это обусловлено тем, что вопрос о необходимости получать неизменное значение рассеиваемой в объекте электрической мощности поставлен сравнительно недавно и его технические возможности пока не достаточно ясны.

Режим заданного падения напряжения целесообразно использовать в случае, когда хотят выяснить наличие различия в тепловых свойствах отдельных зон на кожном покрове и под ним.

Важность этого вопроса несколько сглажена в связи с тем, что информативным параметром при проведении импедансной реоплетизмографии являются изменения формы колебаний электрического сопротивления, а не его количественные значения.

Поэтому при построении реографов иногда не обращают существенного внимания на особенности электрического режима, считая, что в связи с небольшим значением электрического тока внешнее энергетическое воздействие на объект несущественно.

При проектировании измерительных цепей и электронного преобразователя сигналов ориентируются на следующие количественные данные: удельное сопротивление крови р ≈ 150 Oм ∙ см; частоты ниже 3 кГц вызывают появление судорог (у животных); плотность электрического тока должна быть менее 1 мА/см2; действующее значение тока порядка 1-2 мА; рабочие частоты зондирующего тока - 50÷300 кГц и только при реоофтальмографии - 30 кГц; значения базового электрического сопротивления Rж=10+1000 Ом; нижняя граничная частота пропускания изменений сигнала реограммы менее 0,3 Гц; изменения электрического сопротивления (при калибровке) находится в пределах ∆R=0,05-1,0 Ом; уровень шумов, приведенных ко входу, соответствует изменениям сопротивления меньшим 0,005+0,002 Ом; полоса пропускания усилителя 0,3÷30 Гц; коэффициент влияния между каналами - не более 5%; постоянная времени дифференцирующего устройства (при наличии в структуре дифференциатора и получении дифференциальной реограммы менее τ<10 мс).

На рис.,а приведена упрощенная схема измерительной цепи реографа с биполярным съемом информационного сигнала. Высокочастотное напряжение генератора G преобразуется в электрический ток с помощью сопротивления и сопротивления R1 объекта Z0. Если бы Z0 изменялось сильно, то резистор R1 следовало бы брать хотя бы на два порядка больше значения Z0 . Но это не так, поэтому резистор R1 берут сравнительно небольшим, для уменьшения рассеиваемой бесполезно электрической энергии. При отношении Image нелинейность функции преобразования менее 1% , что для измерительных цепей данного назначения вполне приемлемо. Недостатком этой схемы является искажение показаний в случае, если объект оказывается заземленным в другой точке, кроме электрода.

Image
Потенциометрическая измерительная цепь реографа при биполярном съеме информационного сигнала: а — с несимметричным выходом генератора; б - с симметричным выходом генератора
p>Измерительная цепь (рис.,б) свободна от этого недостатка. К тому же прибор можно сделать более универсальным и кроме реограмм можно проводить регистрацию электрокардиограмм, фонограмм и т.д. В этой схеме высокочастотный генератор G имеет выходы, сигналы которых симметричны относительно общей шины (земли). Вместо резистора R1 к выходам подключают два резистора 1/2R1

Усилитель сигналов имеет симметричный вход. Наличие симметричного входа позволяет исключить действие синфазных помех. Это достаточно важное преимущество, так как полезные сигналы при обычно используемых токах оцениваются сотней мкВ — несколькими мВ.

При четырехпроводной схеме измерительные и токовые электроды разделены между собой. В медицине этот способ получения информационного сигнала называют тетраполярным. На рис. а показана измерительная цепь с тетраполярным съемом информации. По своей сущности она близка к схеме (рис. б) и отличается только тем, что напряжение на вход усилителя подается с другой пары электродов, через которые электрический ток не протекает.

Image
Потенциометрическая измерительная цепь реографа при тетраполярном съеме измерительного сигнала: а - с генератором напряжения; б - с генератором электрического тока

Для уменьшения нелинейности, за счет получения большой стабильности электрического тока, вместо токозадающего резистора R используют электронные источники электрического тока (рис. б). Для этого напряжение с выхода высокочастотного генератора электрических сигналов подается на вход преобразователя напряжение—ток. Значение его выходного тока практически не зависит от величины сопротивления нагрузки. Поэтому он не меняется при колебаниях значения сопротивления Z0 и чувствительность измерительной цепи получается максимальной.

В качестве высокочастотного генератора G могут быть использованы генераторы синусоидальных напряжений. Но эффективная стабилизация амплитуды их выходных напряжений связана с построением достаточно громоздких электронных схем. Поэтому предпочтение стали отдавать генераторам напряжения прямоугольной формы, нестабильность выходного напряжения у которых невелика и легко может быть уменьшена с помощью параметрических стабилизаторов.

На рис. а показана упрощенная схема измерительной цепи реографического устройства. В нем использовано высокочастотное напряжение синусоидальной формы, вырабатываемое автогенератором G.

Image
Измерительная цепь реографа (а); схема генератора синусоидальных колебаний (б)

Выходное напряжение автогенератора подается на вход преобразователя "напряжение - ток", выполненного на операционном усилителе DAI. Источник электрического тока и биологический объект гальванически разделены с помощью трансформатора тока Т1. Обычно обмотки 1 и 2 имеют одинаковое число витков и токи обмоток 1 и 2 равны между собой. Для ограничения напряжения на обмотке 2 при холостом ходе в ее цепь включены две группы диодов - VDI-VDA и VD5-VD8. Они открываются в случае, когда напряжение на вторичной обмотке превышает значение 4 пор, U пор, где - пороговое напряжение диода. Подключение обмотки 2 производится через конденсатор С1.

Одна из возможных схем автогенератора синусоидального напряжения приведена на рис. б. В ней электронные усилительные каскады на полевых транзисторах VT1, VT2 охвачены глубокой положительной обратной связью за счет того, что исток транзистора VT2 соединен с затвором транзистора VT1 с каналом, имеющим другой тип электрической проводимости. Частота автоколебаний задается параметрами LC колебательного контура, состоящего из индуктивности L1 и конденсатора R1.

Ток обмотке 1 трансформатора Т1 (рис. а) зависит от напряжения генератора G и параметров резисторов R1 и R2.

Схема измерительной цепи, питаемой высокочастотным напряжением прямоугольной формы, приведена на рисунке. В ней генератор импульсов выполнен на мультивибраторе G. С помощью Т-триггера импульсы мультивибратора G преобразуются в симметричное напряжение прямоугольной формы с постоянной составляющей (частота уменьшается в два раза). Преобразователь напряжение-ток выполнен на транзисторе VT1. В цепь его коллектора включена обмотка 1 трансформатора тока Т1. Вторичная обмотка подключается к объекту измерения через конденсаторы С1 и С2. Напряжение смещения Есм необходимо для согласования ПНТ на транзисторе VT1 с однополярным выходным напряжением триггера.

Приведенные примеры иллюстрируют подходы, используемые при построении реографов.

Image
Измерительная цепь реографа, питаемого высокочастотным напряжением прямоугольной формы

Если используют мостовые схемы, что сейчас бывает достаточно редко, предпочтение отдают схемам двойных трансформаторных мостов, при которых обеспечивается полная гальваническая развязка объекта измерения от электронных цепей.

 
« Пред.   След. »
 
 
Rambler's Top100