Описание функциональной и аппаратной части программно-аппаратного комплекса для анализа биоимпеданса

Программно-аппаратный комплекс для анализа биоимпеданса (ПАКАБИ) выполняет следующие задачи:

1. Расчет компонентов биоимпеданса.

2. Построение графиков Коула.

3. Задание время исследования путем задания количества периодов или отсчетов.

4. Задание количества измерений.

5. Измерения на диапазоне значений напряжения, тока и частоты.

6. Производить расчет случайных ошибок.

7. Вычисление погрешности измерений путем отклонения от теоретических значений (для фантома).

Разработанный ПАКАБИ состоит из:

• устройства сбора данных, подключенного к персональному компьютеру (ПК);

• устройства связи с объектом (УСО);

• соответствующего программного обеспечения

ПАКАБИ включает в себя аппаратную часть и программную, структурная схема представлена на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 - Структурная схема ПАКАБИ

В структуру ПАКАБИ входят ПЭВМ, модуль L - Card L791, УСО авторской разработки и щуп.

Схема электрическая принципиальная УСО представлена на рисунке 3.10, а его внешний вид - на рисунке 3.11.

Рисунок 3.10 - Схема электрическая принципиальная УСО

Рисунок 3.11 - Внешний вид устройства связи с объектом

Связь с биообъектом осуществляется с помощью щупа (рисунок 3.12).

Рисунок 3.12 - Щуп ПАКАБИ: фото

В качестве блока преобразования используется универсальная плата L-Card PCI с прямым доступом к памяти компьютера (DMA Bus Master), что экономит процессорное время компьютера и создаёт возможности для работы в реальном времени.

В устройстве используется:

• АЦП с 16 дифференциальными или 32 каналами с «общей землей»;

Рисунок 3.13 - Внешний вид L791

Рисунок 3.14 - Функциональная схема L791

• Групповая гальваноразвязка всех внешних входов и выходов от компьютера, реализованная на современной элементной базе, позволяет непрерывно передавать данные через гальваноразвязку без потерь на максимальной частоте работы АЦП и ЦАП.

• Каждый из аналоговых каналов подключается к АЦП через усилитель с управляемым коэффициентом передачи, позволяющий задавать один из восьми диапазонов измерения напряжения;

• 2-х канальный ЦАП с частотой дискретизации 125 кГц.

Плата L-791 обеспечивает непрерывный сбор данных на частотах дискретизации АЦП от 0.005 Гц до 400.0 кГц. Конструкция АЦП позволяет принимать сигналы в диапазоне ±10 В.

ЦАП позволяет для воздействия на биообъект выставлять постоянное напряжение в диапазоне до ±5 В. В УСО это напряжение может быть усилено до ±16,5 В.

Для временного хранения и передачи данных в плате используются:

- Буфер FIFO АЦП размером 1Кбайт.

- Буфер FIFO ЦАП размером 512 байт.

Благодаря режиму BusMaster данный автоматически могут быть записаны в область памяти PC 512 Кбайт по мере заполнения FIFO АЦП.

Пользовательский интерфейс позволяет обращаться к обоим буферам FIFO как к массиву ячеек.

Благодаря режиму BusMaster данный автоматически могут быть извлечены из области памяти PC 512 Кбайт по мере опустошения FIFO ЦАП.

Поскольку модуль L791 имеет ограничения по величине входящего и исходящего сигнала, было разработано УСО, которое усиливает эти сигналы.

В качестве среды разработки программного обеспечения для автоматизированной системы используется Microsoft Visual Studio C++ 2010.

Для оценки метрологических характеристик ПАКАБИ был построен фантом, представляющий собой пассивный RC-двухполюсник, моделирующий биоимпеданс. Импеданс пассивного двухполюсника вычислялся теоретически и сравнивался с экспериментальными значениями, полученными посредством ПАКАБИ. Соответствующие экспериментальные и расчетные кривые представлены на рисунке 3.15.

Рисунок 3.15 - Графики зависимости импеданса фантома от частоты в эксперименте и расчетной модели

На частотах с 1 до 12 кГц с шагом 1кГц провели 10 измерений на фантоме и сравнили с расчетной моделью (пунктир). Далее посчитали ошибку измерения в процентах и вывели на график. На нем видно, что ошибка модуля импеданса и его реальной составляющей не превышает 5%. При измерении мнимой составляющей ошибка достигает 10% (рисунок 3.15).

Измерение параметров биоимпеданса в экспериментах in vivo осуществлялось при напряжении 1 В (сплошная линия) и 0,5 В (пунктир) на

тыльной (рисунок 3.16) и внутренней (рисунок 3.17) сторонах ладони. Измерение проводилось на диапазоне частот: 1 - 12 кГц.

Рисунок 3.16 - Измерение на тыльной стороне ладони

Рисунок 3.17 - Измерение на внутренней стороне ладони

Как на фантоме, так и на человеке, измерения проводились таким образом, чтобы количество отсчетов на каждой частоте было одинаковым.

Как видно из рисунков, зависимость параметров биоимпеданса от напряжения ведет себя по-разному, в зависимости от зоны дислокации электрода на биообъекте, в которой проводиться измерение.

3.4