CC BY
130
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013
5. Губарев, В. В. Вероятностные модели : справ. В 2 ч. /
В. В. Губарев — Новосибирск : Новосиб. электротехн. ин-т., 1992. Ч. 1. - 196 с. Ч. 2. - С. 197-421.
6. Мандельброт, Б Фрактальная геометрия природы /
Б. Мандельброт. — М. : Институт компьютерных
исследований, 2002. — 656 с.
7. Кликушин, Ю. Н. Идентификационные измерения сигналов (Антология электронных публикаций) : моногр. / Ю. Н. Кликушин. — Saarbrücken : Palmarium Academic Publishing, 2012. — 223 с.
8. Кликушин, Ю. Н. Модель роста популяции в задаче автоматической классификации сигналов / Ю. Н. Кликушин, К. Т. Кошеков. // Омский научный вестник. — 2005. — № 4 (33). - С. 160-163.
9. Паттен, Х.-О. Красота фракталов. Образы комплексных динамических систем / Х.-О. Пайтген, П. Х. Рихтер. — М. : Мир, 1993. — 176 с.
10. Горшенков, А. А. Представление моделей сигналов в системе идентификационных параметров [Электронный ре-
сурс]. / А. А. Горшенков, Ю. Н. Кликушин // Журнал радиоэлектроники. — М. : Изд-во ИРЭ РАН, 2010. — № 9. — Режим доступа: http://jre.cplire.ru (дата обращения: 18.02.2012).
11. Федер, Е. Фракталы / Е. Федер. — М. : Мир, 1991. — 254 с.
12. Синай, Я. Г. Теория фазовых переходов: строгие результаты / Я. Г. Синай. — М. : Наука, 1980. — 208 с.
КЛИКУШИН Юрий Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Технология электронной аппаратуры».
КОБЕНКО Вадим Юрьевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Технология электронной аппаратуры».
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 27.02.2013 г.
© Ю. Н. Кликушин, В. Ю. Кобенко
УДК 681.2:615.47:616-072-7 В. В. КУЗНЕЦОВ
А. А. НОВИКОВ
Омский государственный технический университет
ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ БИОИМПЕДАНСНОЙ ПОЛИЧАСТОТНОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ В ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ______________________________________________
Настоящая статья содержит описание разработанных технических решений для практической реализации методик биоимпедансной поличастотной спектрометрии для ранней диагностики заболеваний различной этиологии. Проведен сравнительный анализ аналогов, и предложены решения по совершенствованию основных технических характеристик устройств для поличастотной биоимпедансной спектрометрии. Разработано устройство, обеспечивающее расширение возможностей существующих приборов для биоимпедансометрической диагностики.
Ключевые слова: биоимпедансные показатели живых тканей, диагностика патологий, неинвазивная диагностика, методы и устройства оценки показателей жизнедеятельности живых систем.
В диагностике многих заболеваний и нейрофизиологических патологий значительный интерес для исследовательских, диагностических и терапевтических целей, наряду с интегральными, представляют параметры состава тканей отдельных регионов. Так как удельное сопротивление биологических тканей, определяемое для заданной частоты тока, может существенно изменяться под влиянием внешних и внутренних физиологических и патофизиологических факторов, это позволяет использовать биоимпедан-сометрию для оценки состояния органов и систем организма при различных заболеваниях и физиологических состояниях [1].
В настоящее время известен ряд теоретических и практических разработок подобного назначения, позволяющих фиксировать различные показатели электрофизиологической активности и уже приме-
няющихся для диагностики различных заболеваний неврологического [2], нейродерматологического [3], кардиологического [4] и др. характера.
Теоретической основой рабочих принципов этих устройств, а также, применения импедансометрии как диагностичекого метода, является представление живой ткани в виде клеточной суспензии с меняющимся межклеточным расстоянием, обладающей комплексным сопротивлением, активная и реактивная составляющие которого, в численной или графической интерпретации, несут допустимо достоверную информацию о состоянии указанной ткани [5]. При этом полагается, что для целевого анализа биоимпеданса диапазон частот в пределах от 1 кГц до 5 МГц является приемлемо репрезентативным в части его корреляции с реальными показателями электрофизиологической активности живых тканей различного характера.
Интерпретация данных, полученных при исследовании параметров в разных частотных спектрах, позволяет характеризовать показатели электрофи-зиологической активности как соответствующие нормальным, допустимым или патологическим состояниям исследуемых органов и тканей.
Устройства, реализующие этот подход к неинвазивным измерениям, помимо особенностей конструкции и разницы в применяемых технических решениях, можно условно разделить на работающие на определенных фиксированных частотах и спектрометрические, позволяющие анализировать импеданс как в определенном сегменте спектра, так и на конкретно избранной частоте.
Наиболее наглядной и релевантной для методов исследования экспериментальных зависимостей импеданса биообъектов от частоты является модель Коула—Коула (рис. 1):
Г
(1)
где — сопротивление, измеряемое на очень высокой частоте, ДЛ — увеличение сопротивления по сравнению с при измерении на очень низкой частоте, со = 2л/ — круговая частота, тг — характеристическое время, определяющее диапазон частоты, в пределах которого происходят изменения параметров импеданса, а — безразмерный показатель, значения которого могут быть в интервале от 0 до 1.
Оценка параметров модели Коула —Коула дает возможность установить информацию о состоянии тканей и их электрофизиологических свойствах. Так, в [6] сделан вывод, что значение а характеризует морфологию межклеточного пространства и позволяет судить о состоянии клеток. Там же предложен метод распознавания новообразований в эпителии по совокупности параметров модели Коула —Коула. В несколько модифицированном варианте данные зависимости характеризуются наличием трёх различных механизмов релаксации (областей дисперсии), обозначаемых как а, Р и у. С точки зрения биоимпедансного анализа, наибольший интерес представляет область Р-дисперсии, соответствующая частоте тока в интервале от 1 кГц до 1 МГц, так как частоты ниже 0,4 — 0,5 кГц не используются из-за эффекта электростимуляции тканей, а при значениях выше 0,5—1,0 МГц значительно усложняется техника измерений.
На практике для диагностических и исследовательских нужд применяются различные образцы электроимпедансометрических приборов, относящихся как к первой, так и ко второй из описанных ранее категорий. Эти образцы диагностических устройств реализуют различные подходы к измерениям, вследствие чего, особенности их конструкции и заложенных в них решений в значительной степени влияют на их характеристики.
Так, в частности, биоимпедансный анализатор серии АВС-01, производимый фирмой «Медасс», позволяет измерять модуль импеданса на шести фиксированных частотах, а именно — 5, 20, 50, 100, 200 и 500 кГц. При этом, существенным преимуществом данного семейства устройств является то, что их точность и помехозащищенность повышается благодаря нормированию численных значений импеданса по модулю импеданса на одной из вручную избираемых оператором частот.
Его дальнейшая модификация от этого же производителя представляет из себя биоимпедансный
анализатор, близкий по своим измерительным характеристикам к биоимпедансным спектрометрам, позволяя измерять интересующие параметры в более широком диапазоне частот. Заложенные в нем технические решения и особенности позволяют «опросить» до 31 фиксированной частоты в диапазоне 5 — 500 кГц, при этом границы чувствительности при измерении активной компоненты импеданса составляют 10 — 700 Ом, а реактивной — 10 — 200 Ом, а время одного «опроса» составляет около 20 — 30 мс. Конструкция снабжена коммутаторами токовых и потенциальных электродов, дающими возможность выполнять помимо интегральных исследования и отдельных тканей. Программно-аппаратно предусмотрены измерение параметров импедансов между токовыми и потенциальными электродами и учет этих импедансов для коррекции результатов измерений.
В [7] описывается способ и предлагается устройство интегральной оценки психофизиологического состояния человека, основанные на регистрации высокочастотных токов с поверхности кожных покровов под влиянием различных внешних раздражителей. В описанной работе предлагается анализировать изменения комплексной проводимости тканей при внешней стимуляции тканей высокочастотным (в пределах от 2 до 8 МГц) потенциалом с целью получения информации о состоянии клеточных структур живых тканей.
В [6] указано, что для получения более репрезентативной информации об импедансном спектре требуется произвести измерения не менее чем на 15 частотах, распложенных равномерно в логарифмическом масштабе в диапазоне 5— 1000 кГц. При этом измерение одновременно активной и реактивной составляющих импеданса ведет к неизбежности применения метода синхронного детектирования, аппаратная и программная реализация которого значительно усложняет функциональную схему устройства. Дополнительные сложности вызывает и то, что точность и репрезентативность измерений находится в зависимости как от технических решений по защите от помех, смещения электродов и прочих погрешностей, так и от правильности калибровки и поверки измерительных трактов.
Авторами была предложена наиболее эффективная реализация этого метода, возможности которой определяет современная микросхемная технологическая база. В основу предлагаемой разработки положен интегральный преобразователь спектрального состава импеданса в широком диапазоне частот (ЛЭ5933) функциональная схема которого приведена на рис. 2.
В нем для каждой частоты вычисляются активная (Л) и реактивная (X) составляющие импеданса X, по которым затем вычисляются модуль импеданса и его фаза
(2)
(3)
Измеряемый импеданс Х(/ю) подключается между выходом иоШ усилителя ОЛ и входом ит входного усилителя 1Л с передаточной функцией
Ст( ;'ю) = -
Яр
(4)
где ЯРБ — резистор обратной связи, подключаемый
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
273
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013
пользователем между точками Uin и RFB. Напряжение на выходе усилителя 1Л описывается выражением:
Un =
Uo
Z (jw)l
RFBejj .
(5)
где j — фазовый сдвиг между напряжением Uout, приложенным к измеряемому импедансу (точка Uin эквипотенциально заземлена по переменному току), и током Uout/\Z(jW)\.
Номиналы резистора RFB и коэффициента усиления усилителя PGA выбираются, исходя из условия обеспечения работы АЦП в линейном диапазоне входных сигналов:
Uo,
Z (>)|
Ud
(6)
, ч 1023
X(J) = £ х(n)(cos n - j sin n)
(7)
дится загрузка регистров установки стартовой частоты RдFS, приращения частоты RдДF и числа фиксированных частот Rдn. Кроме того, интерфейс І2С используется для загрузки управляющих команд в регистр управления RдC и считывания информации о состоянии конвертора из регистра RдS. Дальнейшая обработка полученной информации заключается, прежде всего, в вычислении модуля комплексной величины в соответствии с выражениями для активного и реактивного импедансов на основе содержимого регистров RдR и RдI:
Mизм = #gR)2 +(RgI)2 -
(8)
Как следует из приведенного выражения, напряжение, поступающее на вход АЦП, пропорционально не импедансу измеряемой цепи, а её проводимости (адмиттансу) M= 1Л2Гизм.
Данные с выхода АЦП поступают на вход ЦПОС, реализующего дискретное преобразование Фурье (ББТ) полученного сигнала X(f) для каждой частоты выбранного частотного диапазона измерений:
Величина |M|изм = 1/^| обратно пропорциональна модулю импеданса измеряемого комплексного сопротивления.
Для получения истинного значения импеданса необходимо учитывать коэффициент передачи всего измерительного тракта, включая коэффициенты усиления усилителей ОА, 1Л (с учётом влияния цепей обратной связи), РУ и других узлов конвертора.
При известном коэффициенте передачи G легко вычисляется истинное значение модуля измеряемого импеданса:
1
Ml G
I \изм
(9)
где х(л) — дискретные значения сигналов с выхода АЦП, sinn и cosn — дискретные отсчёты, производимые ядром DDS. Для каждой частоты в DDS осуществляется умножение и сложение 1024 дискретных отсчётов, получаемых от АЦП. Рассчитанные активная и реактивная составляющие адмиттанса заносятся в два 16-разрядных регистра RgR и Rgl (точнее, в две пары восьмиразрядных регистров). Считывание информации хост-контроллером осуществляется по интерфейсу I2C. По тому же интерфейсу произво-
По составляющим комплексной переменной, хранящимся в регистрах RgI и RgR, может быть рассчитан фазовый сдвиг
RgI
RgR
(10)
Когда найдены значения модуля импеданса | 2^ ист и фазового угла импеданса (рист, возможно определить модуль действительной (активной) и мнимой (реактивной) составляющих импеданса путём про-
Z(Om) } (град)
Z
X
б)
lg®
Х(Ом)
.^=f‘
f = ІО8 Гц f = 1 Г ц
5Ü 100 150 200 250 300 350 400 450 R(Om)
в)
Рис. 1. Диаграмма Коула-Коула
n = 0
Рис. 2. Функциональная схема используемого микроконвертора
Рис. 3. Структурная схема прибора
ектирования вектора импеданса на действительную и мнимую оси.
Действительная составляющая импеданса R составляет: R = |2|истео8фист; мнимая часть импеданса равна: Х=|2|ист8Іпфист.
На основе описанных выше закономерностей и проведенных исследований было разработано и сконструировано устройство формирования поличастот-ного сигнала и оценки активной и реактивной составляющих биоимпеданса. В данном устройстве технически реализована возможность «опроса» более 80 точек частотного спектра в пределах от 100 Гц до 1000 кГц, скорость одного измерения составила от 30 мс до 300 мс в зависимости от нижней частоты анализируемого спектра. Структурная схема данного устройства приведена на рис. 3.
На структурной схеме представлены основные блоки разработанного прибора среди которых: микропроцессор ЛІМеда 128, обеспечивающий алгоритм работы конвертора импеданса (рис. 3), в частности, программу загрузки регистров, управление синтезатором частоты для задания начальной и конечной частот спектра и шага квантования. Кроме того, микропроцессор обеспечивает чтение выходных регистров конвертора импеданса с передачей данных через узел оптронной развязки на систему визуализации и компьютерной обработки получаемой информации.
Внешний вид передней панели прибора (рис. 4) дает представление об управлении и элементах визуализации данных.
Буферный усилитель 1 (рис. 3) предназначен для согласования импендансов. Регулятор усиления
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013
276
Рис. 4. Внешний вид устройства
управляемый микропроцессором предназначен для масштабирования усилительной системы. Электроды 1 и 2 устанавливаются на исследуемом пациенте.
Узел оптронной развязки предназначен для гальванического разделения пациента и персонального компьютера с цифровым осциллографом и соответствующими цепями устройства.
Цифроаналоговые преобразователи 1 и 2 совместно с буферными усилителями 1 и 2 формируют выходные аналоговые сигналы с дополнительным интегрированием для уменьшения визуальных глит-чей. Цифровой осциллограф предназначен для передачи выходных сигналов в персональный компьютер для визуального представления и архивации данных и изображений.
Исследования с применением разработанного авторами устройства проводились на базе учреждений здравоохранения г. Омска и Омской области (БУЗОО «Клинический кожно-венерологический диспансер», БУЗОО «Клинический диагностический центр», ФГУ ФМБА России «Западно-Сибирский медицинский центр») в период с 1 февраля 2012 по 31 мая 2012 года [3]. В качестве объекта исследований было подобрано две группы добровольцев: группу имеющих нейродерматологические патологии (хронический стабильный (вульгарный) псориаз) со схожей локализацией (поражены: кожа рук с различной концентрацией, область плечевого пояса, грудная
клетка, поясница и частично область волосистой части головы) и симптоматикой, в составе 32 человек в возрасте от 25 до 45 лет, и группу не имеющих дерматологических заболеваний в составе 10 человек в возрасте от 25 до 45 лет.
В процессе исследований установлено, что показатели модуля импеданса патологически измененных тканей с увеличением частоты изменяются с большей скоростью, по сравнению со здоровыми, причем это расхождение составляет от 20 до 35 %. С клинической точки зрения, данный эффект может быть объяснен тем, что для прогрессирующего развития псориаза вульгарного благоприятно нарушение естественной регуляции уровня межклеточной жидкости в слоях эпидермиса, а также, обусловленное этим, явление патологической сухости кожных покровов. Воздействующие на подобные участки кожной ткани патогенные факторы (такие, как инфекция, например) вызывают сухое (неэкссудативное) хроническое воспаление, которое, в свою очередь, вызывает симптомы, характерные для псориаза, такие как зуд и избыточную пролиферацию клеток кожи. Это, в свою очередь, приводит к дальнейшему усилению сухости кожи, как вследствие воспаления и усиленной пролиферации кератиноцитов, так и вследствие того, что инфицирующий агент потребляет влагу, которая в противном случае служила бы для увлажнения кожи.
В ходе исследования были установлены две закономерности, важные для анализа диагностической информации. Первой из этих закономерностей является более резкое изменение модуля импеданса патологически измененного кожного региона при движении в сторону увеличения по частотному диапазону, поскольку сглаживающее влияние емкостной составляющей импеданса при этом существенно уменьшается. Вторая закономерность показывает, что в патологически измененной ткани по сравнению со здоровой наблюдается значительное уменьшение реактивной составляющей биоимпеданса (рис. 5), причем в отдельных случаях результат измерения приближается к чисто активному сопротивлению. Средние значения фаз здоровой и больной кожи отличаются в несколько раз (рис. 6).
Таким образом, предложенное устройство поли-частотной биоимпедансометрии, описанное в настоящей статье, как показали экспериментальные и клинические исследования, может помочь расширить спектр средств диагностики различных заболеваний
Рис. 5. Разница в скоростях изменения модуля импеданса для здоровой (1) и патологически измененной (2) ткани
Рис. 6. Разница в среднем по частотному диапазону фазовом угле для здоровой (2) и патологически измененной (1) ткани
и патологии, связанных с нарушением механизмов саморегуляции электрофизиологических свойств органов и тканей, а также служить в целях дополнительного средства обеспечения диагностических, лабораторных и экспериментальных исследований.
Библиографический список
1. Gabriel S., Lau R.W., Gabriel C. The dielectric properties of biological tissue: III. Parametric models for the dielectric spectrum of tissues // Phys. Med. Biol. 1996. V. 41, № 11. P. 2271-2293.
2. Николаев Д. В., Бобринская И. Г., Смирнов А. В. Билалова Э. Ф., Пушкин С. В. Биоэлектрическая импедансная спектроскопия в оценке баланса церебральной жидкости: первые результаты. НТЦ «Медасс», МГМСУ2.// http://www.medass.ru. 2006 (дата обращения: 14.01.2013).
3. Кузнецов, В. В. Биоимпедансная поличастотная спектрометрия в диагностике нейродерматологических патологий /
B. В. Кузнецов, А. А. Новиков // Омск, Омский научный вестник. - 2012. - № 1(113). - С. 263-267.
4. Московец, О. Н. Оценка состояния тканей пародонта методом биоимпедансной спектроскопии / О. Н. Московец, Д. В. Николаев // Диагностика и лечение нарушений регуляции сердечно-сосудистой системы: сборник трудов VII научнопрактической конференции, 23 марта 2005 г., М., 2005. -
C. 67-69.
5. Fernando Seoane, Kaj Lindecrantz, Torsten Olsson, Ingemar Kjellmer Bioelectrical impedance during hypoxic cell swelling:
modeling of tissue as a suspension of cells. Proc. XII Int. Conf. on Electrical Bio-Impedance, June 20 — 24, 2004, Gdansk, Poland,
p. 73-76.
6. Смирнов, А. В. Методы и аппаратура электроимпедан-сной спектроскопии / А. В. Смирнов, А А. Цветков,
С. А. Туйкин. // Диагностика и лечение нарушений регуляции сердечно-сосудистой системы : материалы. VIII научнопрактической конф. — М.,2006. — Р. 26-30.
7. Гришанцев, А. Ю. Аппаратно-программный комплекс оценки психофизиологического состояния человека путем анализа высокочастотных токов с поверхности кожных покровов : дис. ... канд. техн. наук. — Санкт-Петербург, (ЛИТМО), 2009. — 219 с.
КУЗНЕЦОВ Владимир Владимирович, аспирант кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материлов», ассистент кафедры «Государственное, муниципальное управление и таможенное дело».
НОВИКОВ Алексей Алексеевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материлов».
Адрес для переписки: М1у1аШгуук@гатЪ1ег.ш
Статья поступила в редакцию 27.02.2013 г.
© В. В. Кузнецов, А. А. Новиков
Книжная полка
Лапшин, В. В. Механика и управление движением шагающих машин / В. В. Лапшин. - М. : МГТУ имени Н. Э. Баумана, 2012. - 200 с. - SBN 978-5-7038-3586-9.
Изложены основные вопросы кинематики, динамики и управления движением нового класса наземных транспортных средств повышенной проходимости — машин, передвигающихся с помощью ног. На простых модельных примерах рассмотрены проблемы статической устойчивости, организации походок, динамики, оценки и оптимизации энергозатрат, построения программного движения и экстренного торможения многоногих статически устойчивых шагающих машин. Приведены способы управления динамическим режимом шагания двуногого аппарата, движением одноногого прыгающего аппарата с упругим элементом в конструкции ноги, а также движением прыгающего аппарата вокруг его центра масс в безопорной фазе движения. Для студентов, аспирантов, инженеров и научных сотрудников.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (120) 2013 ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
