Разработка устройства для проведения импедансной спектрометрии биологических объектов

Известны устройства биоимпедансной диагностики, которые определяют для заданной частоты зондирующего тока – удельное сопротивление биологических тканей. При этом данные аппараты позволяют получить информацию о состоянии биологических тканей и о водном балансе организма человека [1-5]. Основными блоками данных устройств являются источник переменного тока, блок коммутации, токовые и потенциальные электроды и блок обработки результатов в виде АЦП.

Недостатками указанных устройств являются использование одной частоты зондирующего тока, разделение электродов на токовые и потенциальные, их малое количество, которые ограничивают количество информационных показателей, снимаемых с биологического объекта, обеспечивают невысокую точность измерений и не позволяют широко использовать данные устройства для проведения импедансной спетрометрии.

В ВСГУТУ разработано устройство для биоимпедансной диагностики, которое состоит из следующих блоков – блока питания, стабилизатора, генератора, микроконтроллера, детектора, фильтра, электродов и ЖК-дисплея, который отличается от всех существующих тем, что позволяет одновременно получить данные импеданса при трех разных частотах зондирующего тока.

На рисунке 1 представлен общий вид устройства биоимпедансной диагностики.

Рисунок 1 – Общий вид устройства биоимпедансной диагностики

Блок питания выносной обеспечивает питание схемы постоянным нестабилизированным напряжением 12 В. Мощность блока 6 Вт. Питающее напряжение поступает на стабилизатор, собранный на двух аналоговых микросхемах LM3175 и LM7805. Первая представляет собой регулируемый стабилизатор, построенный на выходном напряжении 10 В. Вторая – это нерегулируемый стабилизатор с выходным напряжением 5 В. Стабилизированное напряжение 10 В питает повторитель генератора, а все остальные блоки используют напряжение 5 В.

На рисунке 2 представлена структурная схема устройства биоимпедансной диагностики.

Рисунок 2 – Структурная схема устройства биоимпедансной диагностики

Генератор состоит из задающего генератора, функции которого выполняют микроконтроллер и усилители, собранного на микросхеме 4011. Объединив входы элемента, получим инвертор, усиливающий входной меандр до уровня 10 В. Выходное напряжение генератора поступает на активный электрод и на измерительную схему (D2, R5, C11), преобразует импульсное напряжение в постоянное и позволяет микроконтроллеру оценивать уровень выдаваемого на электроды сигнала.

Электрод прикладывают к биологическому объекту, через него протекает электрический ток, и на измерительном электроде появляется потенциал.

Напряжение измерительного электрода поступает на схему измерения сдвига фаз и детектор (D1, R4, C10). Детектор вместе с фильтром преобразуют импульсное напряжение в постоянное для оценки его микроконтроллером.

Схема измерения сдвига фаз выполнена на микросхеме 4070, который выдает импульсы шириной, равной величине сдвига фаз. Далее импульсы преобразуются в постоянное напряжение (R6, C12).

На рисунке 3 представлена электрическая принципиальная схема устройства биоимпе-дансной спектрометрии.

Рисунок 3 – Электрическая принципиальная схема устройства биоимпедансной спектрометрии: А – микроконтроллер; Б – усилитель; В – блок обработки информации; Г – стабилизатор напряжения; Д – фильтр; Е – электроды

Микроконтроллер выполняет несколько функций. Во-первых, генерирует последовательности импульсов частотой 50, 100 и 200 кГц со скважностью 50%. Во-вторых, используя встроенный аналого-цифровой преобразователь, оцифровывает значения напряжения на активном, измерительном электроде со схем измерения сдвига фаз. В-третьих, на основе полученных данных вычисляет значение импеданса в условных единицах и выводит на ЖК-дисплей.

Так как биологические ткани способны накапливать электрические заряды при прохождении через них тока, то их электрические свойства недостаточно описывать только с помощью активного сопротивления R. Необходимо также учитывать наличие у тканей и реактивного, емкостного сопротивления X, определяемого соотношением [4]:

Х = —,                                  (1)

ю*с где ɷ – циклическая частота, равная 2πν; ν – линейная частота, равная 1/Т Гц; ϲ – емкость.

Суммарное сопротивление переменному току биологической ткани называется импедансом Z. Его активная составляющая R связана в первую очередь с проводимостью внутренних жидких сред, являющихся электролитами. Различные процессы в тканях, сопровождающиеся необратимыми потерями энергии, также дают вклад в величину активной составляющей импеданса. Реактивная компонента Х определяется емкостными свойствами исследуемой ткани, емкостью биологических мембран. Кроме того, в емкостную составляющую дает вклад и область контакта электродов с биологическими тканями. Абсолютная величина (модуль) электрического импеданса определяется выражением [4]:

|Z| = W+X².                           (2)

Из (1) и (2) следует, что импеданс изменяется с изменением частоты электрического тока.

Для оценки работоспособности данного устройства были проведены эксперименты на биологическом объекте (свежая говядина) при воздействии высокой температуры на открытом огне в течение 5 и 10 мин. Методика проведения опытов следующая: включали устройство и дожидались его готовности. Затем прикладывали электроды к биологическому объекту и через 10 с записывали показания прибора, которые отражали величину импеданса на следующих частотах 50, 100, и 200 кГц. По полученным данным строили кривые (рис. 4).

Рисунок 4 – Влияние времени нагрева на величину импеданса:

1 - без воздействия нагрева на биологический объект; 2 – воздействие открытого огня на биологический объект после 5 мин; 3 – воздействие открытого огня на биологический объект после 10 мин

Вывод

Разработано устройство для проведения биоимпедансной спектрометрии биологических объектов, которое позволяет одновременно получить данные импеданса при разных частотах зондирующего тока. Для оценки работоспособности данного устройства были проведены эксперименты на биологическом объекте при воздействии высокой температуры на открытом огне. Анализ данных показал, что с увеличением частоты зондирующего тока на биологический объект импеданс уменьшается.