Измерительный преобразователь экспресс-контроля электрического импеданса биологических тканей

• Автор: Акулов, Сергей Анатольевич
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 178 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОСТРОЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА

1.1. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА НЕОДНОРОДНЫХ ПРОВОДНИКОВ

1.2. ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ.

1.3. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА

1.3.1. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА ОСНОВЕ ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ

1.3.2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

ИМПЕДАНСА НА ОСНОВЕ МОСТОВЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ

1.3.3. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

ИМПЕДАНСА, ПОСТРОЕННЫЕ НА ОСНОВЕ РЕЗОНАНСНЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ.

1.3.4. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ИМПЕДАНСА НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ПЕРЕХОДНОЙ ФУНКЦИИ.
1.4. АНАЛИЗ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭКСПРЕССКОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД
1.5. ВЫВОДЫ
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭКСПРЕССКОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА, ПОСТРОЕННОГО ПО ПРИНЦИПУ
АНАЛИЗА ПЕРЕХОДНОЙ ФУНКЦИИ
2.1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА С ПОМОЩЬЮ ВРЕМЯЧАСТОТНОГО
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
2.2 МЕТОДИКА ПЕРЕХОДНЫХ ФУНКЦИЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА БИОЛОГИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА.
2.3. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ, ПОСТРОЕННОГО ПО ПРИНЦИПУ АНАЛИЗА ПЕРЕХОДНЫХ ФУНКЦИЙ
2.4. МОДЕЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭКСПРЕССКОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ . ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗЛИЧНЫХ ЭЛЕКТРОДНЫХ СИСТЕМ
2.4.1. АНАЛИЗ СХЕМ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
2.4.2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ В ОТСУТСТВИИ ЭФФЕКТА ПОЛЯРИЗАЦИИ.
2.4.3. ДВУХЭЛЕКТРОДНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ ПРИ НАЛИЧИИ ЭФФЕКТА ПОЛЯРИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОДОВ
2.4.4. ТРЕХЭЛЕКТРОДНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ ПРИ НАЛИЧИИ ЭФФЕКТА ПОЛЯРИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОДОВ
2.4.5. ЧЕТЫРЕХЭЛЕКТРОДНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ ПРИ НАЛИЧИИ
ЭФФЕКТА ПОЛЯРИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОДОВ.
ВЫВОДЫ.
ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ СИГНАЛА ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭКСПРЕССКОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА С ЦЕЛЬЮ ОЦЕНКИ СТРУКТУРНОГО СОСТАВА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
3.1. МЕТОДЫ СИНТЕЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ СХЕМ ЗАМЕЩЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
3.2. МЕТОД ЛИНЕЙНЫХ ДИАГРАММ.
3.3. МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ ОПЕРАТОРНОГО ВЫРАЖЕНИЯ ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИССЛЕДУЕМОГО БИОЛОГИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА
3.4. МЕТОД ПРОСТРАНСТВА СОСТОЯНИЙ ДЛЯ СИНТЕЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ СХЕМ ЗАМЕЩЕНИЯ .
3.5. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ СТРУКТУРНОГО СОСТАВА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНИ
НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ СХЕМ ЗАМЕЩЕНИЯ
ГЛАВА 4. ПОСТРОЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭКСПРЕСС
КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
4.1 РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА БИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ
4.1.1. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭКСПРЕССКОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ.
4.1.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ ОЦЕНКЕ УРОВНЯ ГЕМАТОКРИТА КРОВИ
4.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭКСРЕССКОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
4.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЮГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭКСПРЕСС
КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА КРОВИ.
4.4. ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЮГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭКСПРЕСС
КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА ДЛЯ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ ЖИЗНЕСПОСОБНОСТИ КЛЕТОЧНЫХ СУСПЕНЗИЙ ЭМБРИОНАЛЬНЫХ ФИБРОБЛАСТОВ
4.5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭКСПРЕСС
ОЦЕНКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА ДЛЯ СОЗДАНИЯ ФАНТОМОВ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯТОРОВ
4.6. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭКСПРЕССКОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА
БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
ВЫВОДЫ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПРИЛОЖЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность


Точное определение сопротивления живых клеток и тканей сильно затруднено, изза чувствительности их к действию электрического тока у одних в большей степени, например, у таких легко возбудимых тканей, как нервы и мышцы, у других в меньшей степени. Этим вызвана необходимость использования в работе малого напряжения, что снижает точность наиболее часто используемого метода мультичасготного сканирования импеданса. Необходимо использование метода, позволяющего осуществлять тестирование биологического объект в течение малого промежутка времени и позволяющего определить параметры электрического импеданса в широком диапазоне частот. При пропускании постоянного тока через живые клетки и ткани было установлено, что сила тока не остается постоянной, а сразу же после наложения потенциала начинает непрерывно падать и, наконец, устанавливается на уровне, который во много раз ниже, чем исходный. Это объясняется тем, что при прохождении постоянного тока через биологическую систему в ней возникает нарастающая до некоторого предела электродвижущая сила противоположного направления. Наблюдаемое явление аналогично тому, что происходит в растворах электролитов. Для них характерно явление поляризации, т. Способность поляризации биологических объектах обусловлена наличием емкостной составляющей импеданса. Ф до мкФ и более . Как показал Дебай, диэлектрик, не содержащий свободных ионов и не ограниченный изолирующим материалом, обладает такими же диэлектрическими свойствами, как и диэлектрик гетерогенной структуры. Поляризация может возникать в электрическом поле за счет смещения орбитальных электронов атомов. Следует заметить, что, вопервых, для поляризации такого типа требуются большие напряжения и, вовторых, величина такой поляризации очень невелика. Больших величин диэлектрическая поляризация достигает при смещении ионов, закрепленных в кристаллической решетке. Обе эти поляризации устанавливаются за очень короткое время за 6 8 сек Для биологических объектов они мало реальны. Однако косвенные данные говорят о том, что диэлектрическая поляризация в биологических объектах существенным образом связана с дипольными молекулами. Большинство органических соединений является перманентными диполями, с большим постоянным электрическим моментом, который у крупных молекул белка равен КГ. При наложении электрического поля оно может не вызывать изменения расположения зарядов в молекуле, а приводить к ориентации молекул в направлении силовых линий. Согласно теории Дебая, поведение системы, включающей в себя полярные молекулы, определяется временем релаксации, т. Г 1. Т температура, т вязкость. При наложении переменного тока он идет через систему, содержащую диполи, во время поворота последних. Когда кончается поворот, ток перестает идти. Если система содержит и диполи, и свободные ионы, то по окончании поворота ток снизится. При анализе электрических свойств тканей необходимо учитывать сложность структуры последних. Ткани состоят из клеток, окруженных мембранами, обладающими низкой электрической проводимостью но сравнению с материалом, находящимся внутри клеток и окружающим клетки. Различные клеточные органоиды ядро, митохондрии и др. Раствор окружающий субклеточные компоненты и заключенный внутри них, содержит много макромолекулярных образований. Внутриклеточная и тканевая жидкость содержит также большое количество солей. При оценке структурного состава биологического объекта большое значение имеет изучение как активной, гак и емкостной составляющих импеданса. Считают, что активная составляющая может быть отнесена за счет ионных компонентов и определяется их числом, зарядом и подвижностью. Что же касается плотности поляризационного тока, то она определяется произведением числа диполей на днпольный момент и подвижность молекул. При определении электропроводности биоструктур очень показательно и методически удобно выражать результаты в виде частотной зависимости тепловых потерь. При наличии общего тока проводимости наблюдается два рода тепловых потерь поляризационные потери ориентационного происхождения и омические потери. Из векторной диаграммы токов устанавливается величина тангенса угла потерь, измеряемая отношением активного тока к поляризационному.