RU94834U1 - REOGRAPHIC INSTALLATION FOR RESEARCHING HYDRODYNAMIC PROPERTIES OF BIOLOGICAL LIQUIDS - Google Patents

Abstract

Реографическая установка для исследования гидродинамических свойств биологических жидкостей, состоящая из генератора синусоидального переменного электрического сигнала и блока сопряжения, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит рабочую камеру, соединенную эластичными трубками с перистальтическим насосом Heidolph PD-5101 и с помощью 2 фиксированных электродов с блоком сопряжения, вход которого соединен с генератором, а выход с двухканальным аналого-цифровым преобразователем SIGMA-ZET 210 и далее с компьютером. A rheographic installation for studying the hydrodynamic properties of biological fluids, consisting of a sinusoidal alternating electric signal generator and an interface unit, characterized in that it further comprises a working chamber connected by elastic tubes to a Heidolph PD-5101 peristaltic pump and using 2 fixed electrodes with an interface unit, the input of which is connected to the generator, and the output with a two-channel analog-to-digital converter SIGMA-ZET 210 and further with a computer.

Description

Полезная модель относится к медицине, а именно к приборам инструментальной диагностики в области реографии - исследования кровотока отдельных органов или всего организма путем измерения биоэлектрического импеданса. Метод основан на регистрации прибором изменений полного электрического сопротивления (импеданса), вызванных пульсовыми колебаниями кровенаполнения органа.The utility model relates to medicine, namely to instruments of instrumental diagnostics in the field of rheography - the study of blood flow of individual organs or the whole organism by measuring bioelectric impedance. The method is based on registration by the device of changes in the total electrical resistance (impedance) caused by pulse fluctuations in the blood supply to the organ.

Наиболее близким аналогом является реограф Р4-02 для биполярной и тетраполярной реографии (Смирнов И.В. Функциональная диагностика. ЭКГ, реаграфия, спирография / И.В.Смирнов, A.M.Старшов. - М.: Эксмо, 2008. - С.143-158). Реограф Р4-02 состоит из генератора переменного электрического тока и имеет четыре канала с различными частотами (40, 50, 70 и 100 КГц), а также собственный электрокардиографический канал. Диапазон измеряемого импеданса - от 10 до 250 Ом, точность измерения - 10%. Как и другие реографы прибор оснащен блоком сопротивлений, выполняющего функцию детектора, усилителя и дифференцирующего устройства (блок сопряжения).The closest analogue is the R4-02 rheograph for bipolar and tetrapolar rheography (I. Smirnov. Functional diagnostics. ECG, regraphy, spirography / I.V.Smirnov, AMStarshov. - M .: Eksmo, 2008. - P.143- 158). The P4-02 rheograph consists of an alternating electric current generator and has four channels with different frequencies (40, 50, 70 and 100 KHz), as well as its own electrocardiographic channel. The range of the measured impedance is from 10 to 250 Ohms, the measurement accuracy is 10%. Like other rheographs, the device is equipped with a resistance block, which acts as a detector, amplifier, and differentiator (interface unit).

Недостатки: существующий реограф предназначен для исследования гемодинамических параметров сердечно-сосудистой системы в клинической практике, не предназначен для экспериментальных целей, является недостаточно точным в измерении базового импеданса (точность измерения 10%), чувствителен к электрохимическим изменениям на электродах, влияниям дыхательной системы, не имеет блоков автоматической регистрации и обработки сигнала. Кроме этого, существующий прибор производит регистрацию биоэлектрического импеданса только на одной из фиксированных частот (40, 50, 70 и 100 КГц) зондирующего переменного электрического тока, применяемых в зависимости от задачи клинического исследования той или иной системы организма человека, или органа.Disadvantages: the existing rheograph is designed to study the hemodynamic parameters of the cardiovascular system in clinical practice, is not intended for experimental purposes, is not accurate enough in measuring the basic impedance (measurement accuracy of 10%), is sensitive to electrochemical changes on the electrodes, the effects of the respiratory system, does not blocks of automatic registration and signal processing. In addition, the existing device records the bioelectric impedance at only one of the fixed frequencies (40, 50, 70 and 100 KHz) of the probing alternating electric current used depending on the task of the clinical study of a particular human body system or organ.

Технический результат: повышение точности измерений. Это достигается с помощью предложенной установки, состоящей из гидродинамической части установки: рабочей камеры с исследуемой жидкостью, соединенной с перистальтическим насосом Heidolph PD-5101 эластичными трубками, и, с помощью двух фиксированных к ней электродов, с электроизмерительной частью, состоящей из генератора синусоидального переменного тока, блока сопряжения, аналого-цифрового устройства и компьютера.Effect: improving the accuracy of measurements. This is achieved using the proposed installation, consisting of the hydrodynamic part of the installation: a working chamber with the test fluid connected to the Heidolph PD-5101 peristaltic pump with elastic tubes, and, using two electrodes fixed to it, with an electrical measuring part consisting of a sinusoidal alternating current generator interface unit, analog-to-digital device and computer.

Полезная модель изображена на схеме (фиг.1), где 1 - рабочая камера, соединенная с перистальтическим насосом (гидродинамическая часть); 2 - генератор синусоидального переменного электрического сигнала, 3 - блок сопряжения, 4 - аналого-цифровой преобразователь, 5 - компьютер (электроизмерительная часть).The utility model is shown in the diagram (Fig. 1), where 1 is the working chamber connected to the peristaltic pump (hydrodynamic part); 2 - a sinusoidal variable electrical signal generator, 3 - a pairing unit, 4 - an analog-to-digital converter, 5 - a computer (electrical measuring part).

Гидродинамическая часть прибора (1) состоит из рабочей камеры и прецизионного перистальтического насоса Heidolph PD-5101. Рабочая камера представляет собой протяженную полимерную трубку определенной длины, например 22 см, и площади поперечного сечения, например 0,709 см², соединенную эластичными трубками с перистальтическим насосом Heidolph PD-5101, снабженную на концах двумя кольцевыми нихромовыми электродами для соединения с блоком сопряжения. Рабочая камера позволяет измерять сопротивление как неподвижной, так и текущей жидкости при заданной скорости течения и уровне расхода, задаваемыми перистальтическим насосом, в диапазоне скорости создаваемой перистальтической волны от 0 до 120 rpm.The hydrodynamic part of the device (1) consists of a working chamber and a Heidolph PD-5101 precision peristaltic pump. The working chamber is an extended polymer tube of a certain length, for example 22 cm, and a cross-sectional area, for example 0.709 cm ² , connected by elastic tubes to a Heidolph PD-5101 peristaltic pump, equipped at the ends with two ring nichrome electrodes for connection with the interface unit. The working chamber allows you to measure the resistance of both stationary and flowing fluid at a given flow rate and flow rate set by a peristaltic pump in the speed range of the created peristaltic wave from 0 to 120 rpm.

Электроизмерительная часть установки состоит из генератора синусоидального напряжения Г3-106 (2), блока сопряжения (3) и двухканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) SIGMA-ZET 210 (4), подключаемого к порту USB-2 компьютера (5). Сигнал с генератора синусоидального напряжения заданной частоты (диапазон частот от 10 Гц до 250 КГц) и амплитуды тока (2 мкА - 1 мА) (2) поступает на вход блока сопряжения (3), формирующего два сигнала сопротивления: эталонный и измеряемый, что обеспечивает независимость измерения сопротивления в широком диапазоне величин от амплитуды питающего напряжения. Один полумост блока сопряжения (3) состоит из известных эталонных сопротивлений, по которым рассчитывается величина входного сигнала сопротивления. В плечо второго полумоста включена рабочая камера. Электроды рабочей камеры используются одновременно для подачи зондирующего сигнала и регистрации параметров измеряемого импеданса экспериментальной жидкости. Значения эталонных сопротивлений полумостов задаются переключателями, что обеспечивает работу блока сопряжения в диапазоне величины измеряемого сопротивления от 20 Ом до 100 кОм. После прохождения через канал аналого-цифрового преобразователя (4) сигнал поступает на компьютер (5). Конечный результат оценивается с помощью оригинальной программы персонального компьютера.The electrical measuring part of the installation consists of a G3-106 sinusoidal voltage generator (2), an interface unit (3), and a SIGMA-ZET 210 (4) two-channel analog-to-digital converter (ADC) connected to the computer’s USB-2 port (5). The signal from the generator of a sinusoidal voltage of a given frequency (frequency range from 10 Hz to 250 KHz) and current amplitude (2 μA - 1 mA) (2) is fed to the input of the interface unit (3), which generates two resistance signals: a reference and a measured one, which ensures Independence of resistance measurement over a wide range of values from the amplitude of the supply voltage. One half-bridge of the interface unit (3) consists of known reference resistances, by which the value of the input resistance signal is calculated. A working chamber is included in the shoulder of the second half-bridge. The electrodes of the working chamber are used simultaneously for supplying a probing signal and recording the parameters of the measured impedance of the experimental fluid. The values of the reference resistances of the half-bridges are set by switches, which ensures the operation of the interface unit in the range of the measured resistance from 20 Ohms to 100 kOhms. After passing through the channel of the analog-to-digital converter (4), the signal enters the computer (5). The end result is evaluated using the original personal computer program.

Полезная модель работает следующим образом.The utility model works as follows.

Рабочую камеру гидродинамической части установки (1) заполняют экспериментальной биологической жидкостью (цельная гепаринизированная кровь, плазма, сыворотка крови, растворы декстранов, кристаллоидов, белков или жировые эмульсии в зависимости от задачи эксперимента) и соединяют с перистальтическим насосом (способ соединения зависит от условий эксперимента). Перистальтический насос включают, и устанавливают необходимые параметры скорости от 0 до 120 rpm и объема расхода жидкости, а также степени пережатия рабочей камеры (если предусмотрено условиями эксперимента).The working chamber of the hydrodynamic part of the installation (1) is filled with experimental biological fluid (whole heparinized blood, plasma, blood serum, solutions of dextrans, crystalloids, proteins or fat emulsions depending on the task of the experiment) and connected to a peristaltic pump (the connection method depends on the experimental conditions) . The peristaltic pump is turned on, and the necessary speed parameters are set from 0 to 120 rpm and the volume of fluid flow, as well as the degree of clamping of the working chamber (if provided by the experimental conditions).

После включения электроизмерительной части экспериментальной реографической установки сигналы эталонного и измеряемого сопротивлений, полученные с блока сопряжения (3), поступают на входы аналого-цифрового преобразователя (4), оцифровываются и передаются в компьютер (5) для записи в массивах данных. По отношению измеряемого сигнала сопротивления к эталонному сигналу в каждый из моментов времени оригинальная компьютерная программа вычисляет величину полного сопротивления и фазовый сдвиг между эталонным и измеряемым сигналами. Поскольку суммарная частота преобразования (дискредитизации) по всем каналам для АЦП SIGMA-ZET 210 равняется 500 кГц, то количество проанализированных экспериментальных точек составляет до 250000 Гц по каждому входу. За счет такого большого количества измерений (и, как следствие, существенного уменьшения величины суммы среднеквадратичного отклонения измеренного сопротивления от среднего значения) обеспечивается высокая точность измерения сопротивления в широком диапазоне частот, токов и фазовых сдвигов входного сигнала. Максимальная погрешность измерения с учетом корректирующих поправок, рассчитываемых и вносимых компьютером по результатам нормировочных тестовых измерений не более 0,1%. При необходимости точность измерения может быть повышена путем применения более сложных и совершенных программ фильтрации, сглаживания флуктуации и статистической обработки данных, что, однако, приводит к увеличению времени обработки результатов измерений, составляющего в настоящее время 45 сек на одноядерном компьютере Pentium-4 с рабочей частотой процессора 1,7 ГГц.After switching on the electrical measuring part of the experimental rheographic installation, the signals of the reference and measured resistances received from the interface unit (3) are fed to the inputs of the analog-to-digital converter (4), digitized and transmitted to a computer (5) for recording in data arrays. According to the ratio of the measured resistance signal to the reference signal at each time instant, the original computer program calculates the value of the impedance and the phase shift between the reference and measured signals. Since the total conversion (discrediting) frequency for all channels for the SIGMA-ZET 210 ADC is 500 kHz, the number of experimental points analyzed is up to 250,000 Hz for each input. Due to such a large number of measurements (and, as a result, a significant decrease in the sum of the standard deviation of the measured resistance from the average value), high accuracy of resistance measurement is ensured in a wide range of frequencies, currents, and phase shifts of the input signal. The maximum measurement error taking into account corrective corrections calculated and introduced by the computer according to the results of normalized test measurements is not more than 0.1%. If necessary, the measurement accuracy can be improved by using more sophisticated and advanced filtering programs, smoothing fluctuations and statistical data processing, which, however, leads to an increase in the processing time of measurement results, which is currently 45 seconds on a single-core Pentium-4 computer with an operating frequency 1.7 GHz processor.

Для нескольких модельных жидкостей получены зависимости полного сопротивления и фазового сдвига неподвижного, равномерного и пульсирующего потока жидкости от частоты питающего напряжения, амплитуды тока, скорости течения и расхода жидкости, температуры и концентрации раствора. По значениям модуля и фазы импеданса определены величины активной и реактивной (емкостной) составляющих исследуемого входного сопротивления на различных частотах. Для известных геометрических размеров рабочей камеры рассчитываются удельная электропроводность и диэлектрическая проницаемость электропроводящей жидкости. Их изменения во времени в виде графиков могут быть обработаны и отражены стандартными известными программами, например "Microsoft Office Excel".For several model liquids, the dependences of the impedance and phase shift of a fixed, uniform and pulsating fluid flow on the frequency of the supply voltage, current amplitude, flow rate and fluid flow rate, temperature and solution concentration are obtained. The values of the module and impedance phase determine the values of the active and reactive (capacitive) components of the investigated input resistance at different frequencies. For the known geometric dimensions of the working chamber, the electrical conductivity and permittivity of the electrically conductive liquid are calculated. Their changes in time in the form of graphs can be processed and reflected by standard well-known programs, for example, "Microsoft Office Excel".

Таким образом, предлагаемая полезная модель отличается от существующего аналога тем, что для выяснения и изучения физических зависимостей импеданса от параметров текущей электропроводящей жидкости применяют рабочую камеру с фиксированными в ней электродами и твердыми или упругими стеками, а также перистальтический насос, имитирующий гемодинамические параметры сердечно-сосудистой системы. Существенное, по сравнению с ранее использовавшимися методами, повышение точности измерений (до 0,1%) достигается тем, что в широком диапазоне частот (от 20 Гц до 100 КГц) производят измерение не только модуля, но и фазы биоэлектрического импеданса, что позволяет разделить его омическую и емкостную составляющие, а регистрацию сигнала осуществляют в течение времени, достаточного для получения посредством аналого-цифрового преобразования массива измеренных значений, содержащего до 200000 экспериментальных точек (в течение 0,8 секунды), статистическая обработка которых с использованием компьютера, оснащенного соответствующим оригинальным программным обеспечением, позволяет на 1-2 порядка уменьшить среднеквадратичную погрешность измерений.Thus, the proposed utility model differs from the existing analogue in that in order to clarify and study the physical dependences of the impedance on the parameters of the current conducting fluid, a working chamber is used with fixed electrodes and solid or elastic stacks, as well as a peristaltic pump simulating the hemodynamic parameters of the cardiovascular system. Significant, in comparison with previously used methods, increasing the accuracy of measurements (up to 0.1%) is achieved by the fact that in a wide range of frequencies (from 20 Hz to 100 KHz) they measure not only the module, but also the phase of the bioelectric impedance, which allows us to separate its ohmic and capacitive components, and the signal is recorded for a time sufficient to obtain, by analog-to-digital conversion, an array of measured values containing up to 200,000 experimental points (within 0.8 seconds), statistical which processing using a computer equipped with the corresponding original software allows reducing the root-mean-square measurement error by 1-2 orders of magnitude.

Claims (1)

Реографическая установка для исследования гидродинамических свойств биологических жидкостей, состоящая из генератора синусоидального переменного электрического сигнала и блока сопряжения, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит рабочую камеру, соединенную эластичными трубками с перистальтическим насосом Heidolph PD-5101 и с помощью 2 фиксированных электродов с блоком сопряжения, вход которого соединен с генератором, а выход с двухканальным аналого-цифровым преобразователем SIGMA-ZET 210 и далее с компьютером.

A rheographic installation for studying the hydrodynamic properties of biological fluids, consisting of a sinusoidal alternating electric signal generator and an interface unit, characterized in that it further comprises a working chamber connected by elastic tubes to a Heidolph PD-5101 peristaltic pump and using 2 fixed electrodes with an interface unit, the input of which is connected to the generator, and the output with a two-channel analog-to-digital converter SIGMA-ZET 210 and further with a computer.