ПРИБОР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ТОЧЕК

Синько Александра Дмитриевна

студентка 4 курса, кафедра радиофизики, физико-технический институт, ВолГУ, г. Волгоград

Е-mail: avvalava@mail.ru

Никитин Андрей Викторович

научный руководитель, канд. физ.-мат. наук, доцент ВолГУ, г. Волгоград

Биологически активные точки (БАТ) или точки акупунктуры – ограниченные участки кожи площадью от 1 до 20 мм² с большой плотностью нервных окончаний (рецепторов), обладающие рядом характерных морфологических, биофизических и биохимических особенностей. Исследования показывают, что биофизические и другие характеристики БАТ при различных функциональных и патологических состояниях организма закономерно изменяются соответственно патологическому процессу в определенном органе или системе. При этом другие биологически активные точки остаются неактивными. По состоянию БАТ можно судить о гомеостазе организма [3].

Разработано и реализовано устройство, позволяющее измерять вольт-амперные характеристики БАТ.

На рисунке 1 представлена структурная схема измерителя вольт-амперных характеристик БАТ. В схему входят следующие функциональные блоки: персональный компьютер (ПК), с помощью которого осуществляется управление микроконтроллером (МК), который, в свою очередь, координирует работу цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). В качестве ПК выбран ноутбук, чтобы обезопасить исследуемого пациента от напряжения сети. Кроме того, использование ноутбука позволяет частично или полностью избавиться от наводок сети.

Рисунок 1. Структурная схема измерителя ВАХ БАТ

На сигнальный электрод 1, который передает раздражение непосредственно на БАТ, подается низкочастотное синусоидальное напряжение с ЦАП, отклик (бипотенциал) принимается электродом 2, сигнал с которого поступает на ИНУТ, где преобразуется в напряжение. Далее сигнал усиливается с помощью усилителя биосигнала (УБ) и поступает на первый канал аналогово-цифрового преобразователя (АЦП1), который передает оцифрованный сигнал в МК для дальнейшей обработки. На второй канал АЦП (АЦП2) подается напряжение на сигнальном электроде. Таким образом, два напряжения – генерируемое ЦАП и отклик БАТ поступают параллельно по двум каналам АЦП, это увеличивает точность работы и прибора в целом.

Согласно структурной схеме  (рисунок 1)  была разработана и реализована принципиальная электрическая схема измерителя вольт-амперных характеристик БАТ, представленная на рисунке 2.

Для управления внешними ЦАП и АЦП в схеме используется микроконтроллер AtMega16, имеющий 8-раздядную архитектуру, высокую производительность и низкое энергопотребление, и содержащий 16 КБайт энергонезависимой памяти для хранения программ и данных [5].

Рисунок 2. Принципиальная электрическая схема измерителя ВАХ БАТ

Программирование осуществляется с помощью программатора STK200+/300 [8] через LPT-порт. Программы для координации внешних ЦАП и АЦП написаны с помощью компилятора CodeVisionAVR, разработанного специально для программирования микроконтроллеров ATMEL AVR [2]. Интерфейсная программа для регулирования процесса измерения, построения вольт-амперной характеристики БАТ и спектральной обработки полученных характеристик написана в интегрированной среде программирования С++ Builder. Поскольку спектр отклика считается по периоду сигнала, он дает коэффициенты его разложения в ряд Фурье. Питание элементов схемы осуществляется от интегрального стабилизатора КР142ЕН5А номиналом +5 В, на который подается 6,28 В от аккумулятора. Интерфейс USB-UART построен на микросхеме ISO7231 [7], обеспечивающей гальваническую развязку изготовленного устройства с ПК, и на преобразователе USB-UART — CP2102 [6]. В качестве усилителя биосигнала используется микросхема AD8531 [4].

Для проведения измерений были изготовлены два двухфазных электрода, совмещенных в одном корпусе. Конструкция датчика в поперечном разрезе представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Конструкция датчика в поперечном разрезе: 1 — приемный электрод; 2 — сигнальный электрод; 3 — изолятор; 4 — индифферентный электрод; 5 — экран электрода; 6 — защитная крышка; 7 — свободная полость с усилителем; 8 — внешний изолятор

Сигнальный электрод (2), передающий раздражение на БАТ представляет собой серебряную пластину диаметром 16 мм с отверстием 2 мм в центре, в котором помещен приемный электрод. В качестве изолятора (3) используется эпоксидная смола, которой заполнена полость между приемным и передающим электродами. Электрод, снимающий отклик БАТ, представляет собой платиновую иглу (1)  со скругленным кончиком поперечным сечением 0,3 мм и длиной рабочей части 2,5 мм. Индифферентный (общий) электрод (4) представляет собой серебряное кольцо с внешним диаметром 27 мм и внутренним – 17 мм, которое припаяно к латунному корпусу датчика (5). Защиту от внешних помех обеспечивает латунная крышка (6) диаметром 27 мм, которая изолирует внутреннее активное пространство датчика от внешнего воздействия. Латунный корпус датчика также изолирован от внешнего воздействия с помощью кольца из стеклопластика (8).

Процедура измерения вольт-амперной характеристики происходит следующим образом: на  вход К2 подается синусоидальное напряжение, которое генерируется ЦАП, далее происходит измерение величины бипотенциала  на электроде К1, отклик БАТ подается на вход усилителя по короткому фторопластовому  проводу длиной 2 см. Усилитель биосигнала расположен в свободной полости датчика (7) на отдельной круглой плате диаметром 20 мм. Такое расположение усилителя позволяет избавиться от наводок и помех.

Усиленный биосигнал поступает на вход АЦП1. После обработки полученного сигнала строится вольт-амперная характеристика БАТ и спектральная плотность полученного отклика. Все измерения производятся относительно индифферентного электрода К3, который подключен к общей точке прибора.

С помощью изготовленного устройства проводились экспериментальные исследования БАТ на теле человека. Регистрация отклика БАТ проводилась следующим образом: поверхность кожи в области измерения обрабатывалась 2 % солевым раствором для лучшей проводимости, затем при помощи манжеты фиксировалось положение датчика на теле человека.

На рисунке 4 представлен внешний вид интерфейсной программы в режиме измерения, на которой изображены входной сигнал, бипотенциал точки (выходной сигнал), построенная вольт-амперная характеристика и спектр измеренного отклика. Данный отклик принадлежит активной точке С7 (научное название — шэнь-мэнь, меридиан сердца, функция: седетативная точка, точка-пособник), находящейся у локтевого края лучезапястной складки, рядом с лучевой стороной сухожилия мышцы локтевой сгибатель кисти [1].

Рисунок 4. Внешний вид программы для построения вольт-амперной характеристики и спектральной плотности отклика БАТ

Измеренные спектральные плотности мощности (СПМ) шума двух каналов используемого АЦП представлены на рисунках 5 и 6. Видно, что шум первого канала составляет 3 мкВ в среднем, второго - 5 мкВ. Среднеквадратичное отклонение шумовых последовательностей АЦП составляет 2 мкВ.

Рисунок 5. СПМ первого канала АЦП

Рисунок 6. СПМ второго канала АЦП

В результате проделанной работы, был разработан и реализован прибор для измерения  и исследования вольт-амперных характеристик БАТ, который располагается в отдельном корпусе и имеет аккумуляторное питание. Также изготовлен датчик, совмещенный в одном корпусе с биоусилителем. Результаты показывают, что прибор работает правильно. В дальнейшем планируется экспериментальное исследование характеристик, полученных с помощью данного прибора, для выявления отклонений в работе органов человека.

Список литературы:

1. Гаава Лувсан. Очерки методов восточной рефлексотерапии. – Новосибирск: Наука, 1991. 431 с.
2. Евстифеев А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. Руководство пользователя – М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2007. — 592 с.
3. Стояновский Д. Н. Практическое руководство народной медицины. – ООО «Издательство АСТ»; Д.: Сталкер, 2001 – 576 с.
4. Техническое описание микросхемы AD8531 [Электронный ресурс]: http://www.alldatasheetru.com/datasheet-pdf/pdf/48475/AD/AD8531.html (дата обращения: 22.03.12)
5. Техническое описание микросхемы AtMega16 [Электронный ресурс]: http://www.alldatasheetru.com/datasheetpdf/pdf/78532/ATMEL/ATMEGA16.html (дата обращения: 10.05.12)
6. Техническое описание микросхемы CP2102 [Электронный ресурс]: http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/201067/SILABS/CP2102.html  (дата обращения: 17.02.12)
7. Техническое описание микросхемы ISO7231 [Электронный ресурс]: http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/232149/TI/ISO7231A.html (дата обращения: 17.02.12)
8. Техническое описание программатора STK200+/300 [Электронный ресурс]:http://easyelectronics.ru/programmator-stk200300-dlya-mikrokontrollerov-avr.html (дата обращения: 17.02.12)