Анданченко М.В., Гасанов Е. М., Мілих М.М.

Дніпропетровський державний університет ім. Олеся Гончара, Україна

Використання пристрою імпедансометрії у діагностиці.

Електрометричні методи дослідження біологічних систем набули широкого поширення у фізіології та медицині. В наш час метод вимірювання повного комплексного опору змінному електричному струму відповідної частоти (імпедансу) біологічної тканини застосовується для вирішення найрізноманітніших питань.

Один із прикладів - контроль за кількістю м'язової маси і жиру в організмі. Кількість жирових клітин у людини постійна протягом всього його життя. Жирові клітини лише збільшують або зменшують свій об'єм. Збільшені жирові клітини, розростаючись, здавлюють судини, перекриваючи доступ поживним речовинам і перешкоджаючи виведенню токсинів і продуктів обміну з організму. Добре розвинена м'язова маса, навпаки, покращує кровопостачання, сприяє активному збагаченню організму киснем під час активного проведення часу. Грамотне зниження ваги має відбуватися не тільки із зменшенням жирового шару, але і з зміцненням м'язів. Дати оцінку початкового стану організму і проконтролювати процес схуднення може забезпечити використання методу імпедансометрії. Періодично має проводитись вимірювання імпедансу окремих ділянок тіла, яке допоможе скоригувати добовий раціон для здорового схуднення. [1]

Також біоімпеданс використовується в судовій медицині. Проводяться дослідження синців в ранньому та постмортальному періоді, з використанням величини електричного опору шкіри, визначається також давність події. [ 2 ]

Були проведені дослідження, які показали, що між електричним опором крові у постмортальний період та взятої від живої особи, існують достовірні значущі відмінності. Це показує, що при проведенні експертизи рідкої крові, з приводу визначення її приналежності, можливе застосування методу вимірювання електричного опору змінним струмом різної частоти.[3]

В роботі [4] розглянуті структурна схема пристрою, та алгоритм вимірювання поверхневого імпедансу біологічних тканин. В приcтрою використанні цифрові методи обробки сигналів, що надає можливість підвищити точність та чутливість, збільшити динамічній діапазон вимірювання та діапазон частот. Дає можливість розширити застосування імпедансометрії у медичній практиці. Вимірювання здійснюється а допомогою трансімпедансного підсилювача, вихідна напруга підсилювача визначається співвідношенням величини резистору у зворотному зв’язку та значенням імпедансу.

Для розширення можливості пристрою, з метою його використання в різних випадках, підвищення точності та подальшого розширення діапазону вимірювань доцільно мати можливість регулювання резистору у зворотному зв’язку трансімпедансного підсилювача. Пропонується для цього задіяти цифровий потенціометр, який буде керуватись від процесору обробки сигналів.

Збільшення обчислювальних можливостей пристрою може бути здійснено за рахунок більш потужного процесору, який має також вбудований цифро-аналоговий перетворювач з малим часом встановлення , що виключає необхідність застосування окремої мікросхеми перетворювача. Використання в пристрої мікроконтролера STM32F407VGT6 за архітектурою ARM Cortex-M4 з тактовою частотою 168 МГц та 12 – розрядними аналого-цифровими та цифро аналоговими перетворювачами дозволяє ефективно вирішити задачі цифрової обробки сигналів.

Побудова пристрою з використанням базової плати STM32F4 Discovery забезпечує створення автономного пристрою з можливістю візуалізації результатів вимірювань та бездротового підключення до Інтерненту завдяки застосування плат розширення Wi-Fi 2.4 ГГц IEEE 802.11d/g/n та рідкокристалічного дисплею 3.5 LCD з сенсорним екраном.

Таким чином до базової плати необхідно підключити вихідний підсилювач, трансімпедансний підсилювач з цифровим потенціометром та диференційний підсилювач зсуву по напрузі [4] . Ці модулі аналогових закінчень (АЗ) виконані у форм-факторі активних електродів щоб забезпечити більшу завадостійкість при вимірюваннях.

Структурна схема пристрою наведена на рис.1

Рис.1 Структурна схема пристрою

В модулях АЗ застосовані мікросхеми операційних підсилювачів AD8605, AD8606 та двох канального цифрового потенціометру AD5262, який керується за інтерфейсом SPI .

Для вимірювання імпедансу Z(ω) використовується випробувальний сигнал Uв позитивної полярності з виходу буферного підсилювача, який підключено до виходу цифро аналогового перетворювача процесорa STM32F4.

Uв = Uоз + Uo cos ( ωt + φ₀ ) .

Напруга зсуву Uоз дорівнює 1.8 В, сигнал Uв змінюється від 0 В до 3.6 В. Напруга на виході трансімпедансного підсилювача складається з постійної напруги та сигналу змінної напруги з частотою ω. Постійна вихідна напруга має величину:

Uових = Uз – Uo R / Rx ,

Uз – напруга зсуву трансімпедансного підсилювача, яка задається за допомогою цифрового потенціометру таким чином, щоб значення напруги Uових забезпечило відповідний діапазон для змінного сигналу без спотворень.

Амплітуда і фазовий зсув сигналу змінної напруги залежать від частоти ω та їх величини [4] будуть відповідно:

Uвих = R Uo / | Z(ω) | ,

φ = artg ( Im Z(ω) / Re Z(ω) ) + π ,

Rx = R Uo / ( Uз – Uових ).

Після обробки сигналу з виходу трансімпедансного підсилювача [4] проводиться обчислення |Z(ω)|, φ та Rx, при цьому за допомогою цифрових потенціометрів реалізується алгоритм автоматичного підбору величини R та Uз щоб забезпечити максимальну точність вимірювань.

Бібліографічні посилання

1. http://medical-center-petersburg.ru/medservices/nutritionist/body_diagnostics/

2. Ковалева М.С., Халиков А.А., Вавилов А.Ю. Определение давности образования кровоподтёков методом импедансометрии. «Проблемы экспертизы в медицине» Выпуск № 23-3 том 06

3. Вавилов А.Ю., Чирков В.Е., Поздеев А.Р., Плешакова Н.П. О возможности применения метода измерения электрического сопротивления при исследовании биологических сред. «Проблемы экспертизы в медицине» Выпуск № 13-1том 04

4. Анданченко М.В., Мілих М.М. Вимірювання імпедансу біологічних тканин. Збірник трудів конференції Europejska nauka XXI poweka – 2014. Techniczne nauki.; Premysl, 2014 С. 84-87.