Технологическая ячейка для измерения удельной электропроводности пота на кожных покровах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

БелорусскиЙ государственный университет

информатики и радиоэлектроники

Факультет: компьютерного проектирования

Кафедра: электронной техники и технологии

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к дипломному проекту

на тему:

"Технологическая ячейка для измерения удельной электропроводности пота на кожных покровах"

Минск 2011



Реферат

Страниц - 124, иллюстраций - 20, таблиц - 15, приложений - 7, список используемых источников - 28;

Графическая часть - 6 л. формата А1, 2 л 1 л. формат А2.

Антипович Н. А. Технологическая ячейка для измерения удельной электропроводности пота на кожных покровах Дипл. проект по специальности "Медицинская электроника"/ Н. А. Антипович. - Минск: БГУИР, 2011. - 124 с.

Цель: разработать технологическую ячейку для измерения удельной электропроводности кожных покровов, позволяющую диагностировать заболевание "гипергидроз".

В дипломном проекте проводится обзор методов измерения сопротивления кожи и биологических объектов, патентных исследований по новейшим разработкам в данной области.

Разработана технологическая ячейка для измерения удельной электропроводности кожных покровов. Разработана схема электрическая принципиальная. Проведены конструкторские расчеты, расчеты на надежность и технологичность конструкции. Проведено технико-экономическое обоснование разработки и изложены вопросы по охране труда. Разработана конструкторская документация, комплект технологических документов и алгоритм работы блока управления.

Ключевые слова: гипергидроз, диагностика гипергидроза, проводимость, удельная электропроводность, сопротивление кожных покровов.



Содержание

• Введение
• 1. Анализ задания на дипломное проектирование
• 2. Обзор существующих методов и устройств диагностирования гипергидроза
• 2.1 Общие сведения
• 2.2 Методы определения гипергидроза
• 2.3 Выводы
• 3. Методика проведения исследований и результаты измерений
• 3.1 Разработка методики проведения исследований
• 3.2. Анализ результатов исследования
• 3.3 Выводы
• 4. Разработка схемы электрической
• 4.1 Разработка схемы структурной
• 4.2 Разработка схемы электрической принципиальной
• 4.2 Выводы
• 5. Разработка функционального алгоритма технологической ячейки
• 5.1 Разработка алгоритма работы
• 5.2 Выводы
• 6. Разработка конструкции
• 6.1 Выбор и обоснование комплектующих элементов и материалов конструкции
• 6.2 Компоновочный расчет блоков
• 6.3 Расчёт надёжности
• 6.4 Выводы
• 7. Технологический раздел
• 7.1 Оценка технологичности конструкций
• 7.2 Разработка технологической схемы сборки электронного модуля
• 7.3 Разработка маршрутной технологии сборки электронного модуля
• 7.4 Выводы
• 8. Технико-экономическое обоснование производства технологической ячейки для измерения удельной электропроводности пота на кожных покровах
• 8.1 Краткая характеристика технологической ячейки для измерения удельной электропроводности пота на кожных покровах
• 8.2 Расчет стоимостной оценки затрат
• 8.3 Расчет инвестиций в производство нового изделия
• 8.4 Расчет показателей экономической эффективности проекта
• 8.5 Выводы
• 9. Охрана труда. Обеспечение электробезопасности при эксплуатации технологической ячейки для измерения удельной электропроводности пота на кожных покровах
• 9.1 Обеспечение электробезопастности
• 9.2 Выводы
• Заключение

Список используемых источников

диагностирование гипергидроз электропроводность пот



Введение

Потоотделение естественный процесс жизнедеятельности каждого человека. Потовыми железами покрыто все тело. Процессом потоотделения руководит вегетативная нервная система, а начальным звеном являются терморецепторы, реагирующие на изменение температуры окружающей среды и на сбои в работе внутренних органов. При нормальной работе организма это не доставляет много проблем. Но людям, столкнувшимся с проблемой гипергидроза, не всегда удается справиться с ней самостоятельно. Расстройство потоотделения относится к одному из частных и одновременно малоизученных симптомов нарушения функционирования вегетативной нервной системы. Именно поэтому человек потеет по самым разным причинам: когда ему жарко, когда он волнуется и даже когда сытно поест. От терморецепторов импульс передается в гипоталамус и продолговатый мозг, а уже оттуда поступает команда в центр управления потоотделением - к симпатическим нервным узлам, которые и заставляют потеть.

Интенсивное потоотделение может начинаться даже при небольшом волнении или даже при мысли о руках. Данное заболевание может доставлять неудобство, а иногда и значительно ограничивать человека в действиях. Существует много способов лечения первичного гипергидроза. Это может быть и медикаментозное лечение, а некоторые прибегают к народной медицине. Но на сегодняшний день наиболее результативными считаются методы с хирургическим вмешательством. В данном случае существует несколько способов: от уколов ботокса до эндоскопической симпатэктомии. Но прежде чем назначать лечение или проводить операцию, необходимо достаточно точно определить степень заболевания. Для диагностирования гипергидроза воспользуемся таким параметром кожи как проводимость. Сопротивление кожных покровов зависит от многих факторов, в том числе и влажности кожи. Чем больше пота выделяется на ладонях, тем выше проводимость кожи. На основе данной зависимости необходимо разработать прибор, измеряющий удельную электропроводность пота на кожных покровах, который позволит диагностировать гипергидроз.



1. Анализ задания на дипломное проектирование

Целью дипломного проектирования является разработка технологической ячейки для измерения удельной электропроводности пота на кожных покровах, а также конструкторской и технологической документации для него. Тема проекта - "Технологическая ячейка для измерения удельной электропроводности пота на кожных покровах". К прибору, согласно техническому заданию, предъявляются следующие технические требования:

ѕ диапазон определяемого сопротивления от 0 до 1500Ом;

ѕ цена деления - 1 Ом;

ѕ допустимые отклонения показаний ±5%;

ѕ питание от батарейки напряжением 9В;

ѕ ток потребления: не более 100 мА.

Средняя наработка на отказ должна быть не менее 10000 часов в нормальных условиях эксплуатации. Средний срок службы аппарата до списывания не менее 5 лет.

Норма выпуска в год составляет 2000 штук.

Конструкция технологической ячейки должна обеспечивать свободный доступ к составным элементам изделия при проведении пуско-наладочных и ремонтных работ.

Материалы и комплектующие прибора должны применяться по действующим стандартам и техническим условиям на них.

Конструкция должна обеспечивать сборку при изготовлении без создания и применения специального оборудования. Допускается применение специальных приспособлений. Масса прибора для определения проводимости не должна превышать 1 кг, а габаритные размеры - 100х100х30 мм.

Технологическая ячейка для измерения удельной электропроводности кожных покровов должен удовлетворять требованиям эргономики по ГОСТ 12.2.032-78, ГОСТ 12.2.033-78 и общим требованиям эстетики по ГОСТ 24750-81.

Прибор предназначен для эксплуатации в условиях закрытого помещения в интервале температур от +10 до +35?С, атмосферном давлении (760±19)мм рт. ст., относительной влажности воздуха от 65 до 85 %, при температуре +25?С.

По устойчивости к климатическим воздействиям при эксплуатации прибор относится к группе УХЛ 4.2 ГОСТ 15150-69.

Условия эксплуатации должны соответствовать ГОСТ 16019-2001, группе В3. В эксплуатационной документации должны быть указаны периодичность проверки и требования к техническому обслуживанию.

Маркировка должна соответствовать требованиям ГОСТ 21552-84. Она должна содержать:

ѕ полное торговое наименование по ГОСТ 26794-85;

ѕ торговый знак и (или) наименование предприятия-изготовителя;

ѕ месяц и год выпуска;

ѕ отметку ОТК предприятия изготовителя;

ѕ порядковый номер изделия по системе нумерации предприятия-изготовителя;

ѕ предупредительные знаки по ГОСТ 12.2.006 - 87;

ѕ обозначение стандарта на анализатор;

ѕ дополнительные требования (определяет предприятие-изготовитель).

Место и способ нанесения маркировки устанавливаются в ТУ.

Предельные условия транспортирования: температура отминус50 до +50 ^оС; относительная влажность воздуха до 98% при t=25^оС. Атмосферное давление 84107 кПа.

Механические воздействия по ГОСТ 21552-84.

По защите от поражения электрическим током прибор выполнен по классу 1, тип Н.

Технологическая ячейка при аварийном режиме работы не должна возгораться, не должны выделяться горючие газы, не должна ухудшаться степень защиты от поражения электрическим током.

Для предотвращения поражения электрическим током при обслуживании прибора, блок питания и корпус установки должны быть заземлены, а клеммы подключения к сети заизолированы.

Устранение неисправностей производить только на отключенном от сети приборе.



2. Обзор существующих методов и устройств диагностирования гипергидроза

2.1 Общие сведения

Повышенную потливость в медицине обозначают термином гипергидроз: "гипер" - усиленное, "гидро" - вода. Потоотделение - выделение из потовых желёз на поверхность кожи водянистой жидкости (пота), присущее человеку. Главным значением потоотделения является предохранение организма от перегревания: на тёплой поверхности кожи пот быстро испаряется, поглощая много тепла и, тем самым, понижая температуру тела. Образуется пот непрерывно.

Здоровый человек потеет при повышении температуры воздуха до 20-25°С, атак же при физической нагрузке. При температуре воздуха выше 36°С организм отдаёт тепло только путём потоотделения - происходит процесс терморегуляции. Низкая влажность и движения ускоряют испарения пота и облегчают теплоотдачу. Если воздух насыщен водяным паром и неподвижен, пот не испаряется; этим объясняется невозможность длительного пребывания в жарко натопленной бане. Питьё воды резко усиливает потоотделение, поэтому во время походов, при физической работе в жарких производственных помещениях не следует пить много воды. Чувствительные нервные окончания, рецепторы, которые находятся на всей поверхности кожи тела и органов, возбуждаются и стимулируют потоотделение. Именно поэтому потоотделение усиливается под влиянием различного рода эмоций таких как страх или боль.

Нарушения потоотделения могут выражаться в увеличении отделения пота и его уменьшении, а так же в выделении зловонного пота. Увеличение потоотделения может быть общим (наблюдается при некоторых нервных болезнях, при туберкулёзе, эндокринных заболеваниях, ожирении) и местным - на ладонях, подошвах, лице, под мышками (локальная повышенная потливость зависит от возбудимости нервной системы).

Повышенная потливость или гипергидроз не относят к болезням, которые серьёзным образом нарушают здоровье человека, но при этом повышенная потливость негативно влияет на качество жизни человека, который постоянно находится в ожидании того, что вот-вот станут потными ладони и рукопожатие будет неприятно другому человеку, свежая рубашка в жаркий летний день мгновенно становится мокрой… Одним словом, жизнь превращается в паранойю, нервное напряжение, которое, в свою очередь и стимулирует потоотделение. Всё вышеперечисленное и считается симптомами гипергидроза.

Сильные нервные потрясения для каждого человека дают свои "результаты": у кого-то может случиться сердечный приступ, у кого-то заболит желудок или поджелудочная железа, а у другого человека - начнётся гипергидроз.

Симптомами локального гипергидроза является избыточное потоотделение ладоней, подмышек, стоп: причём, усиленное выделение пота может наблюдаться как в одной области, так и во всех названных сразу. Общий гипергидроз - ещё более серьёзная проблема, может быть следствием такой болезни как туберкулёз, поэтому если у Вас есть признаки общего гипергидроза, необходимо обратиться к врачу.

Гипергидроз может быть первичным и вторичным. Первичным гипергидрозом страдает 1% людей в возрасте от 15 до 35 лет. Первичный гипергидроз обычно возникает в детском и подростковом возрасте. Вторичный гипергидроз возникает как следствие той или иной неврологической болезни. Именно поэтому к вопросу диагностики гипергидроза необходимо подойти очень грамотно, нужно понимать, что, к примеру, при симптомах общего гипергидроза необходимо сделать анализы даже на содержание сахара в крови, так как мало кто знает, что при диабете может возникать общая потливость.

Основными и обязательными методами диагностики гипергидроза являются: общий анализ крови, проверка функций щитовидной железы, анализ крови на сахар (натощак), анализ мочи и флюорография, реакция Вассермана (анализ на сифилис). Для более точной постановки диагноза так же выполняют: тест на глюкозу, делают сбор суточной мочи, компьютерная томография головы, рентген черепа, анализ мокроты (на туберкулёз). Для того, чтобы поставить правильный диагноз, необходимо выявить цепочку из причин, которые привели к гипергидрозу, но установить их можно только сделав необходимые анализы [1].

2.2 Методы определения гипергидроза

Говоря о гипергидрозе, следует различать два состояния -- общая повышенная потливость и локальная повышенная потливость. В большинстве случаев подразумеваем локальный эссенциальный гипергидроз. На эту разновидность гипергидроза приходится большая часть случаев заболевания. До сих пор не известно, почему возникает этот вид гипергидроза (поэтому он называется эссенциальным). Общая или генерализованная потливость может быть следствием целого ряда причин (инфекций, эндокринных, опухолевых заболеваний и др.). Как правило, речь в таких случаях идет, не о локальном, а об общем гипергидрозе, то есть повышенном потоотделении со всей поверхности кожи.

Родственным по отношению к гипергидрозу является эритрофобия. Дословный перевод означает "боязнь быть красным". У людей, страдающих от этого состояния, при малейших эмоциях начинает краснеть лицо. Нередко они испытывают серьезные трудности при публичных выступлениях и даже обращении к незнакомому человеку. Также как и при гипергидрозе лишь одна мысль о том, что лицо может покраснеть, приводит к тому, что лицо начинает интенсивно багроветь [2].

Диагностика гипергидроза складывается главным образом из выделения вторичного гипергидроза (обусловленного другими заболеваниями) от первичного (эссенциалльного) локального гипергидроза, который требует самостоятельного лечения.

Однако проблема заключается в том, что на сегодняшний день нет четких количественных показателей, которые объективно говорили о наличии гипергидроза и его степени.

Среди локальных методов диагностики, главным образом с целью определения границ зоны потливости используется проба Минора (рисунок 2.1). Кожа исследуемого покрывается раствором йода, затем после высыхания-- посыпается кукурузным крахмалом или картофельной мукой. В результате соединения йода с крахмалом в местах потения образуется интенсивное сине--фиолетовое, иногда даже черное окрашивание. Результаты окрашивания могут быть нанесены на карту, сфотографированы или выделены несмываемым фломастером [3].

При пальмарном (ладонном) гипергидрозе проба Минора как правило используется для определения границ зоны повышенной потливости и документирования эффективности проведенного лечения (рисунок 2.2), при необходимости повторных введений препарата (ботокса). Перед планированием торакальной эндоскопической симпатэктомии необходимости в проведении пробы Минора нет [2].

Количественным методам диагностики гипергидроза можно отнести гравиметрию и эвапометрию.

Метод гравиметрии применим при оценке гипергидроза подмышек, ладоней и стоп. Важно отметить, что гравиметрия часто используется как метод оценки степени потливости в клинических исследованиях, но из-за отсутствия большого практического значения и затратности по времени не имеет применения в повседневной клинической работе.



Рисунок 2.1 - Проба Минора (йод-крахмальный тест) до введения Ботокса при повышенной потливости ладоней

Рисунок 2.2 - Проба Минора (йод-крахмальный тест) через 10 дней после введения Ботокса при повышенной потливости ладоней

После высушивания поверхности заранее взвешенный фрагмент фильтровальной бумаги прикладывают к изучаемой поверхности и оставляют на ней в течение определенного точного времени. После этого бумагу взвешивают, а скорость потоотделения характеризуют в миллиграмм на минуту. Для большей детализации можно производить перерасчет на сантиметр квадратный. Скорость потоотделения в норме и у пациентов с гипергидрозом представлена на таблице. Поскольку имеется определенное совпадение параметров, для установления диагноза в дополнение к количественным данным следует учитывать и степень влияния гипергидроза на качество жизни и повседневную активность. В практической деятельности именно фактор влияния на качество жизни является решающим в установлении диагноза гипергидроза.

Другой количественный метод оценки выраженности гипергидроза - эвапометрия, при котором специальный прибор оценивает скорость потери влаги с поверхности кожи. Данный метод может быть использован при оценке влияния топических препаратов и ботулотоксина в отношении выраженности ладонного гипергидроза [4].

Существует несколько методов качественной и количественной оценки интенсивности потоотделения: устройство для отбора и исследования проб пота [5] и устройство для исследования интенсивности потоотделения [6],причем второе позволяет исследовать потоотделение в динамике.

Устройство для отбора и исследования проб пота

В устройстве содержится емкость и фиксатор, последний выполнен в виде рукава из эластичного влагонепроницаемого материала с герметизирующими манжетами, один конец которого снабжен патрубком, выполненным из эластичного материала, и карманом, расположенным на внешней поверхности рукава, при этом наружный конец патрубка соединен с емкостью, размещенной в кармане.

На рисунке 2.3 изображено устройство для отбора и исследования проб пота, продольный разрез (фигура1) и внешний вид герметизирующей самосклеивающей ленты (фигура 2).

Устройство работает следующим образом. Сменную чистую емкость 7 подсоединяют к пробке 6 с отверстием выпускного патрубка 6 и закладывают в карман 8. Конец клапана 9 заводится под герметизирующую самосклеивающуюся ленту 10 или фиксируется на ней. Затем рукав 1 надевается на обнаженную руку (ногу и т.д.), после чего стягиваются и закрепляются герметизирующие самосклеивающиеся ленты 10на герметичных манжетах 3 с воздухом в матерчатых оболочках 4. Вследствие сокращения объема манжет происходит увеличение давления воздуха внутри манжет и сокращение их внутренних диаметров, за счет чего они плотно прилегают к поверхности кожи и герметизируют внутреннюю часть рукава 1 от внешней среды, создавая тем самым100%-ную влажность, способствующую конденсации паров потовых выделений человека под рукавом.

1 - влагонепроницаемый рукав с подвернутыми краями 2, 3 - герметизирующие резиновые манжеты в матерчатой оболочке 4, 5 - эластичный выпускной патрубок с вмонтированной пластмассовой пробкой 6, 7 - сменная емкость, градуированная в миллиметрах и размещенная в кармане 8 с клапаном 9, 10 - герметизирующие накладные ленты, 11 - самосклеивающиеся поверхности

Рисунок 2.3 - Устройство для отбора и исследования проб пота, продольный разрез (фигура 1) и внешний вид герметизирующей самосклеивающей ленты (фигура 2)

После этого рабочий (исследуемый) надевает спецодежду и определенное время (10-15 мин) выполняет регламентированную специальную работу. После окончания работы емкость 7 извлекают из кармана 8, отсоединяют ее от патрубка 5, закрывают емкость пробкой и транспортируют к месту проведения анализов. Затем через патрубок 5 наливают 50-70 мл дистиллированной воды в рукав1, ополаскивают его изнутри, не снимая с исследуемого, далее удаляют воду через патрубок 5. При подсоединении новой сменной емкости устройство опять готово к работе [7]. Устройство для исследования интенсивности потоотделения (рисунок 2.4)

1 - жесткий цилиндрический корпус; 2 - заглушка из диэлектрика; 3 - боковая металлическая поверхность; 4 - электрод; 5 -диэлектрическая решетка; 6 -кольцевидный резиновый фиксатор; 7 - сорбент, например, цеолит; 8 - разъем на верхнем конце электрода и разъем на боковой поверхности камеры для включения в измерительную электрическую цепь 9; 10 - гидрофобная втулка.

Рисунок 2.4 - Устройство для исследования интенсивности потоотделения

С физической точки зрения, принцип работы устройства основан на том, что свойства неметаллических материалов в переменных электрических полях характеризуются комплексной проводимостью и комплексным сопротивлением. Наличие взаимосвязи между указанными параметрами позволяет определять свойства материала при заданной частоте электрического поля одним комплексным параметром - относительной диэлектрической проницаемостью:



(2.1)

где е₁ = I_а/ще₀Е - вещественная составляющая;

е₂ = I_p/ще₀Е - мнимая составляющая;

щ- угловая частота;

е₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума;

I_а - активный ток;

I_Р -реактивный ток;

Е - напряжение.

Повышение влажности сорбента между обкладками конденсатора вызывает существенное (на порядки) увеличение е₁и е₂. Особенно резко это проявляется при влажности сорбента ниже влажности, соответствующей точке насыщения. Очень высокие значения роста Јjвлажного сорбента (обеспечивающие высокую чувствительность и точность измерений) объясняются наличием проводящих электролитических включений (влаги).

Устройств работает следующим образом. После предварительной обработки исследуемого участка кожи спиртом или эфиром к нему прикладывают фиксатором данное устройство и плотно прижимают к телу. Устройство, благодаря резиновому фиксатору 6, зафиксировано на коже. После этого с помощью разъемов 8, расположенных на верхнем конце электрода и наружной боковой поверхности 3 камеры, подключают измерительную электрическую цепь и измеряют начальную электрическую емкость (диэлектрическую проницаемость) сорбента 7. Через требуемый для исследования промежуток времени (10-15 мин) повторно измеряют электроемкость (диэлектрическую проницаемость) сорбента, отражающей изменение влажности рабочего объема датчика вследствие потоотделения кожи, судят об интенсивности потоотделения исследуемого участка кожи.

При этом показания измерительного прибора, например, амперметра, в случае использования электрической измерительной цепи 9, могут непрерывно записываться, что ценно для исследования динамики процесса.

При расчетах интенсивности потоотделения учитывается площадь поверхности кожи, находящейся под фиксатором, количество выделившегося пота, определяемое по изменению влажности, пересчитанной через изменение диэлектрической проницаемости (емкости), и время проведения исследования по секундомеру. Благодаря этому данное устройство позволяет определять как среднюю интенсивность потоотделения в течение всего времени обследования, таю и в отдельные промежутки времени по ходу исследований, что важно, например, при обследовании спортсменов при переменной нагрузке и т.п. [8].

Для диагностики гипергидроза также можно использовать метод исследования электрокожного сопротивления.

Первый прибор для измерения электрического потенциала кожи человека был сконструирован Рейнхолдом Фоллем совместно с инженером Вернером в 1953 году, а в 1956 году в знак признания заслуг этого ученого и для проведения дальнейших исследований было основано Международное общество электроакупунктуры имени Рейнхолда Фолля. Сам аппарат на удивление прост - это всего лишь прибор для измерения сопротивления (омметр), который применяется в том числе и при обычных электроизмерениях. Его шкала проградуирована совершенно необычным образом - как бы неправильно с точки зрения традиционных измерений, но очень подходяще для измерений проводимости кожи, и для достижения этой "неправильности" результат измерения предварительно преобразуется в частоту электрического сигнала, так что при работе прибора хорошо слышно издаваемые им звуки и дополнительно видна активность данной точки с помощью шкалы стрелочного вольтметра, на которой отмечено сто условных единиц. Во время диагностики надо держать в руке один из электродов прибора, а другой электрод-щуп врач прикладывает к определенным точкам. Если стрелка шкалы показывает 50-65 единиц, то это означает, точка находится в энергетическом равновесии, и орган, за который она отвечает, здоров. Если же стрелка остановится на 70 или 100 единицах, это сигнализирует о воспалительных процессах, а если прибор показывает меньше 40-50 единиц, то это означает, что орган "лишен сил" - нарушена его внутренняя структура и что-то мешает ему нормально действовать. В настоящее время прибор Фолля, как правило, присоединяется к компьютеру, на мониторе которого отражаются функциональные или физиологические нарушения [7].

На рисунке 2.5 приведена функциональная схема для измерения электропроводимости ткани биологического объекта способом Карасева А.А. [8].

Пассивный электрод 5 соединен с общей шиной 8, с которой также соединены один из полюсов источника 2 и конец катушки индуктивности 1.

Для измерения электропроводимости ткани 7 биологического объекта конец 10 катушки индуктивности 1 через переключатель 3 подключают на априорно заданный промежуток времени к источнику 2. Электромагнитная энергия, накопленная в катушке индуктивности 1 за временной промежуток , может быть определена из выражения:

(2.2)

где L - индуктивность катушки 1;

I_ф - ток через катушку 1 в конце временного промежутка ф;

U₀ - напряжение источника 2;

r₀ - внутреннее сопротивление источника 2;

r_L - омическое сопротивление катушки 1.

Изменяя временной промежуток ф, можно изменять количество электромагнитной энергии, накопленной в катушке 1.



1 - высокодобротная катушка индуктивности, 2 - эталонный источник постоянного напряжения, 3 - переключатель, 4 - активный и 5 - пассивный электроды, 6 - участок кожи биологического объекта, 7 - межэлектродная ткань

Рисунок 2.5 - Функциональная схема устройства.

Формула (2.2) верна с допустимой точностью для катушки индуктивности, обладающей высокой добротностью (500 и выше), у которой можно пренебречь межвитковой емкостью.

По окончании временного промежутка конец 10 катушки 1 с помощью переключателя 3 отсоединяют от источника 2 и соединяют с активным электродом 4.

Так как сопротивление ткани 7 имеет емкостной характер, при подключении конца 10 катушки 1 к электроду 4 образуется последовательный колебательный контур, в котором возникают свободные колебания. Элементами этого колебательного контура являются индуктивность катушки 1, переходное сопротивление активный электрод - кожа 6, параллельное соединение сопротивления межэлектродного промежутка кожи 6 и сопротивления межэлектродной ткани 7, переходное сопротивление пассивный электрод 5 - кожа 6.

Омическое сопротивление катушки 1 индуктивности равно нескольким Омам, омическое сопротивление межэлектродной ткани 7 - 200-300 Ом, омическое сопротивление межэлектродного участка кожи 6 - несколько сотен кОм, а емкость перехода электрод - ткань биологического объекта на два порядка больше емкости межэлектродной ткани 7 уже при площади электрода более 0,2 см², можно констатировать, что при частоте свободных колебаний f=100 кГц омическая и емкостная составляющие комплексного сопротивления ткани 7 биологического объекта с погрешностью не более 5%.

Таким образом, если высокодобротную катушку индуктивности насытить дозированной электромагнитной энергией, а затем эту катушку мгновенно подключить к электродам, наложенным на исследуемый участок кожи биологического объекта, в колебательном контуре, образованном индуктивностью катушки и комплексным сопротивлением (импедансом) межэлектродной ткани биологического объекта, возникнут свободные колебания электрического тока, по параметрам которых можно одномоментно определить составляющие комплексного сопротивления (электропроводимости) ткани биологического объекта. При этом результаты измерения практически не будет зависеть ни от внешней среды, ни от состояния кожного покрова.

Электромагнитную энергию, накапливаемую катушкой индуктивности, можно с высокой точностью дозировать, подключая катушку к источнику постоянного напряжения на априорно заданное время. Резистивную составляющую комплексного сопротивления ткани биологического объекта можно определить, измерив скорость затухания свободных колебаний. Реактивную составляющую комплексного сопротивления ткани биологического объекта можно определить, измерив амплитуду первой полуволны колебаний напряжения между электродами. По частоте свободных колебаний можно судить как о реактивной, так и о резистивной составляющих комплексного сопротивления ткани биологического объекта.

На рисунке 2.6 представлен электрод для измерения кожного сопротивления на небольшом участке кожи [9].

Схема 1 замещения кожного покрова представлена в виде модели Шеффера без учета сопротивления подкожных тканей, где E1, E2 и E3 - электрокожные (в общем случае включающие и электронные) потенциалы, а Rx, R1 и R2 - электрокожные сопротивления в точках расположения измерительного электрода 2 (A1 - информативной точке) и индифферентных электродов 3, 4 (в индифферентных точках кожного покрова A2 и A3) соответственно.

Рисунок 2.6 - Измерительный электрод

Устройство для измерения электрокожного сопротивления

Второй индифферентный электрод 4 располагается в руке пациента, первый индифферентный электрод 3 фиксируется в произвольной выбранной индифферентной области кожного покрова 1, а измерительный электрод 2прижимается контактной поверхностью к кожному покрову в исследуемой информативной зоне.

Мультивибратор 10 с заданной частотой изменяет свое состояние, в результате чего на его первом и втором выходах периодически формируются управляющие сигналы, которые открывают в соответствующие моменты времени электронные ключи устройства. При формировании управляющего напряжения на первом выходе мультивибратора 10 открываются первый 12 и третий 9 электронные ключи, при формировании управляющего напряжения на втором выходе - второй электронный ключ 20. В моменты времени, соответствующие воздействию управляющего напряжения со второго выхода мультивибратора 10, первый 12 и третий 9 электронные ключи закрыты. В результате этого первый вывод первого калибровочного резистора 7 отключен от выхода повторителяотнапряжения6, что соответствует разомкнутому состоянию электрической цепи измерительного электрода 2, при котором измерительный ток в цепи не протекает.

На выходе повторителя напряжения 6 формируется напряжение, которое прикладывается к первому входу второго усилителя 8.

1 - эквивалентной схемы замещения участка кожного покрова, 2 - измерительный электрод, 3, 4 - первый и второй индифферентные электроды, 5 - второй калибровочный резистор, 6 - повторитель напряжения, 7 - первый калибровочный резистор, 8 - второй усилитель, 9 - третий электронный ключ, 10 - мультивибратор , 11 - блок выделения модуля напряжений,12 - первый электронный ключ, 13 - управляемый делитель напряжений,14 - второй блок памяти, 15 - первый блок памяти, 16 -опервый усилитель, 17 - регистратор, 18 - эталонный источник напряжения, 19 - компаратор, 20 - второй электронный ключ.

Рисунок 2.7 - Функциональная схема устройства

При условии высокого входного сопротивления второго усилителя 8 потенциал второго входа второго усилителя 8 при отсутствии измерительного тока определяется потенциалом точки A1 информативной зоны кожного покрова. В результате этого между входами второго усилителя 8 действует разность потенциалов U1 В, которую можно представить в виде:



(2.3)

При коэффициенте усиления второго усилителя 8, равном K1, на его выходе пропорционально напряжению U1 формируется выходное напряжение U2, равное:

(2.4)

Диаграмма 1 соответствует использованию первого усилителя с линейной амплитудной характеристикой и регистратора с линейной шкалой измерения; диаграмма 2 - первого усилителя с нелинейным начальным участком амплитудной характеристики и регистратора с линейной шкалой или первого усилителя с линейной амплитудной характеристикой и регистратора с нелинейной шкалой.

Рисунок 2.8 Диаграммы зависимостей функции передачи устройства информативного сопротивления

На выходе блока 11 выделения модуля напряжений по напряжению U2 сформировано пропорциональное положительное напряжение. Это напряжение, проходя через последовательно включенный управляемый делитель 13 напряжения и первый усилитель 16, на выходе первого усилителя 16 создаст выходное напряжение 3, равное:

(2.5)

где K2 и K3 - коэффициенты передачи управляемого делителя 13 напряжений и первого усилителя 16 соответственно.

С помощью компаратора 19 напряжение U3 сравнивается с выходным напряжением U0 эталонного источника напряжения 18, в результате чего на выходе компаратора 19 формируется напряжение, пропорциональное разности напряжений U0 и U3. Это напряжение через открытый второй электронный ключ 20 проходит в первый блок 15 памяти и с его выхода воздействует на первый вход управляемого делителя 15 напряжений. В результате изменения напряжения на первом входе управляемого делителя 15 напряжения его коэффициент передачи K2 будет изменяться.

Изменение коэффициента передачи K2 будет проходить до тех пор, пока выходное напряжение U3 первого усилителя 16 не станет равным напряжению U0. Это будет соответствовать значению коэффициента передачи последовательного канала передачи напряжения K0=K3K2K1, который можно определить из выражения (5):

(2.5)

или

(2.6)



Длительность периода выходного напряжения мультивибратора 10 выбирается такой, чтобы переходной процесс установления выходного напряжения первого усилителя 16 и коэффициента усиления K0 последовательного канала передачи напряжения заканчивался за половину периода изменения управляющего напряжения.

При изменении состояния мультивибратора 10 на противоположное второй электронный ключ 20 закрывается, в результате чего выходное напряжение первого блока 15 памяти, а следовательно, и коэффициент передачи K0 последовательного канала остаются постоянными в течение второй половины периода работы мультивибратора 10.

При этом управляющим сигналом с первого выхода мультивибратора 10 открываются первый 12 и третий 9 электронные ключи. В результате этого первый вывод первого калибровочного резистора 7 подключается к выходу повторителя напряжения 6 и в замкнутой цепи (измерительный электрод 2, второй 5 и первый 6 калибровочные резисторы, третий электронный ключ 9, выход повторителя напряжения 6, общая шина электропитания устройства, второй индифферентный электрод 4) начинает протекать измерительный ток I, значение которого можно определить на основании закона Ома для участка однородной цепи.

От тока I на первом калибровочном резисторе 7 создастся падение напряжения U4, которое будет воздействовать между первым и вторым входом второго усилителя 8. Напряжение U4, проходя через последовательный канал передачи напряжения, на выходе первого усилителя 16 сформирует напряжение U5.

Напряжение U5 через открытый первый электронный ключ 12 воздействует на второй блок 14 памяти, запоминаясь в нем, а с помощью регистратора 17 по напряжению U5 обеспечивается регистрация измеряемого параметра "проводимости" кожного покрова, пропорциональной значениям электрокожного сопротивления Rx исследуемой информативной зоны кожного покрова.

Выбором определенных значений параметров элементов устройства можно добиться заданной нелинейности функции преобразования устройства, соответствующей "эталонной кривой" Вернера.

Как видно из графиков (диаграмма 1), при использовании линейной амплитудной характеристики первого усилителя 16 в предлагаемом устройстве обеспечивается высокая степень соответствия функции преобразований "эталонной кривой" Вернера для диапазона изменения информативного электрокожного сопротивления 0-100 кОм. При использовании нелинейного (начального) участка амплитудной характеристики первого усилителя 16 или первого усилителя 16 с линейной амплитудной характеристикой и регистратора 20 с нелинейной шкалой достигается практически полное соответствие (диаграмма 2) функции преобразований "эталонной кривой" Вернера во всем диапазоне изменения информативного параметра сопротивления (при практической реализации предлагаемого устройства для обеспечения полного соответствия функции преобразований во всем диапазоне изменения информативных параметров "эталонной кривой" Вернера можно использовать нелинейность начального участка амплитудной характеристики первого усилителя 16 путем выбора соответствующего положения рабочей точки усилительного звена либо использовать нелинейный начальный участок шкалы используемого регистратора 17, что можно обеспечить путем включения последовательно с микроамперметром регистратора 17 полупроводникового диода).

Поскольку вид "эталонной кривой" Вернера традиционно определяется для диагностических приборов с двухточечным подключением к кожному покрову, в которых регистрируемое значение "проводимости" пропорционально сумме электрокожных сопротивлений (Rx+R1) информативной и индифферентной зон, а в предлагаемом устройстве значение параметров "проводимости" пропорционально сопротивлению Rx информативной зоны кожного покрова, причем второй калибровочный резистор 5 включен последовательно с электрокожным сопротивлением Rx, то при выборе значения сопротивления второго калибровочного резистора 5 можно считать, что второй калибровочный резистор включает среднее значение электрокожного сопротивления индифферентной зоны [10].

Неотъемлемой частью устройства для измерения электрокожного сопротивления является диагностический электрод (рисунок 2.9). Диагностический электрод для измерения ЭКС БАТ работает следующим образом.

Для измерения ЭКС БАТ используются приборы для функциональной диагностики, которые включают в себя пассивный электрод (положительный), представляющий собой металлический цилиндр, покрытие которого выполнено из химически инертного материала. Этот электрод пациент зажимает в ладони и держит его таким образом в процессе всего измерения.

Диагностический (активный) электрод оператор помещает в зону предполагаемого нахождения БАТ, при этом прибор инициирует точную локализацию БАТ, и проводит измерение ЭКС в конкретной БАТ. В процессе измерения оператор осуществляет постоянное легкое надавливание диагностическим электродом на кожу пациента в биологически активной точке в течение приблизительно 2 секунд, для того чтобы обеспечить надежный контакт.

Выполнение средства для крепления диагностического электрода в держателе в виде цилиндрического хвостовика 3 с буртиком 4 для упора в торцевой поверхности цангового зажима-держателя позволяет оператору быстро производить замену диагностических электродов, что позволяет не только увеличить число диагностируемых пациентов, но и увеличить количество исследуемых БАТ и их локализацию, что повышает достоверность функциональной диагностики.

Вышеописанный диагностический электрод позволяет производить измерение электрокожного сопротивления в биологически активных точках по любой из известных методик и позволяет производить дифференциальные измерения ЭКС БАТ в точке и в окружающей ее зоне, одновременно производить измерения двух-трех близко расположенных БАТ и обеспечивает широкий диапазон выбора величины площади контактирующей головки, что повышает достоверность диагностики.

1 - рабочая головка, выполненная в виде диска диаметром D, 2 - стержень, 3 - хвостовик, 4 - буртик, 5 - контактирующая поверхность радиуса R.

Рисунок 2.9 - Диагностический электрод

Прибор для определения эмоционального состояния человека

Этот прибор применяют в следственной практике. Так, установлено, что ложь и отрицание вины преступниками сопровождаются нервным напряжением, ведущим к различным физиологическим явлениям: повышение давления крови, изменение влажности (а, значит, и проводимости) кожи, сухости во рту, сглатывание слюны и т.д.

Современные устройства позволяют примерно в 85% случаях верно оценивать ответы. Устройство состоит из комплекса чувствительных измерительных элементов, подключенных к датчикам давления. Однако на практике значительно проще регистрировать изменение сопротивления кожи на кистях рук или на запястье. Электроды в виде электропроводящих полосок шириной примерно 20 мм с помощью липкой ленты прикрепляют к коже (запястья, ладони, лба) на расстоянии 10 - 15 мм. Испытуемому задают серию вопросов, на которые он должен дать ответы "да" или "нет". Расшифровав запись на самописце или по отклонению стрелки прибора, определяют реакцию организма на правильные ответы и на заведомо ложные.

На рисунке 2.10 приведена упрощенная схема прибора, которая имеет высокую чувствительность, позволяет зарегистрировать даже слабое волнение исследуемого в случае умышленной лжи и реагирует на изменение сопротивления кожи. В обычном состоянии сопротивление кожи составляет от 10 кОм до 2 МОм, а под воздействием возбуждения меняется примерно на 5%.

Рисунок 2.10 - Схема прибора для определения эмоционального состояния человека

К выходным зажимам прибора подключают гальванометр или самописец. Чувствительность прибора регулируют резистором [12].



2.3 Выводы

В данном разделе дипломного проекта рассмотрены существующие методы диагностирования гипергидроза: проба Минора, метод гравиметрии и эвапометрии. Так же рассмотрены методы измерения сопротивления и проводимости кожи и биологических тканей, приведены примеры измерительных приборов: устройство для отбора и исследования проб пота, устройство для исследования интенсивности потоотделения.

Проведенный анализ показал, что на сегодняшний день нет четких количественных показателей, которые объективно говорили о наличии гипергидроза и его степени. В настоящей работе поставлена задача разработки простого, экономически выгодного и вместе с тем объективного устройства диагностики повышенного потоотделения проблемных зон человека.



3. Методика проведения исследований и результаты измерений

3.1 Разработка методики проведения исследований

Для измерения импеданса биоткани ее необходимо подключить к источнику внешнего электрического напряжения. В экспериментах использовалась двухэлектродная схема подключения (рисунок 2.1). В этом варианте на исследуемый участок накладывается два электрода, один из которых служит для подведения тока, а второй является измерительным.

Рисунок 3.1 - Схема двухэлектродного подключения

Измерения проводились на заранее выбранном участке на внутренней стороне ладони, в трех точках, находящихся в непосредственной близости друг от друга. На рисунке 3.2 овалом обведена область наложения электродов. В этой же области измерялась температура поверхности кожи.

Измерения проводились как на сухой коже, так и на увлажненной (потной). Для того чтобы вызвать естественное потение ладоней испытуемые надевали резиновую перчатку, плотно прилегающую к руке, и выполняли упражнения с кистевым эспандером в течение 1 минуты.

Полученные данные регистрировались и вручную вводились в компьютер для последующей обработки.



Рисунок 3.2 - Внутренняя сторона ладони

Алгоритм проведения исследований приведен в приложении Б.

3.2 Анализ результатов исследования

Измерения комплексного сопротивления сухой ладони проводились на частотах 0,1; 1 и 10 кГц. В исследованиях приняло участие 8 человек. Ниже приведены полученные данные.

Таблица 3.1 - Измерение импеданса на разных частотах

№ опыта	Zполн, импеданс точек, измеренный на разных частотах f, кОм	Zсред,среднее значение импеданса по трем точкам , кОм
	f=0,1 кГц	f=1 кГц	f=10 кГц	f=0,1 кГц	f=1 кГц	f=10 кГц
1.1	1946,30	729,80	118,44	2241,30	790,6	116,87
1.2	1777,60	797,80	100,63
1.3	3000,00	844,20	131,53
2.1	2220,00	768,00	89,50	2803,33	770,88	92,72
2.2	2980,00	757,90	97,00
2.3	3210,00	786,70	91,66
3.1	1280,00	496,70	90,37	1640,00	566,4	90,92
3.2	1730,00	546,70	84,36
3.3	1910,00	655,80	98,03
4.1	483,10	252,40	64,05	466,37	271,56	61,24
4.2	463,24	290,70	56,68
4.3	453,00	271,50	63,00
5.1	1601,40	587,00	89,56	1650,07	574,57	83,36
5.2	1367,80	473,70	72,33
5.3	1981,00	663,00	88,20
6.1	2600,00	634,60	105,83	2330,00	646,07	99,54
6.2	1590,00	679,70	102,74
6.3	2800,00	623,90	90,06
7.1	540,60	226,40	62,96	466,87	227,94	58,63
7.2	424,80	216,70	58,30
7.3	435,20	240,70	54,63
8.1	693,40	346,30	68,39	995,40	456,67	75,78
8.2	916,80	528,00	78,36
8.3	1376,00	495,7	80,58
Усредненное значение импеданса участка ладони человека, кОм	1574,17	538,08	84,88

На рисунке 3.3 показана полученная зависимость импеданса от частоты тока, из которой видно, что импеданс уменьшается с увеличением частоты переменного тока.

Рисунок 3.3 - Экспериментально полученная зависимость усредненного импеданса участка ладони от частоты тока



3.3 Выводы

Разработана методика измерения импеданса биоткани, в ходе которой сопротивление замерялось на нескольких частотах. По результатам этих измерений выбрана одна частота f=1кГц, вносимая наименьшую ошибку.



4. Разработка схемы электрической

4.1 Разработка схемы структурной

Технологическая ячейка для измерения удельной электропроводности кожных покровов включает следующие функциональные блоки:

ѕ микропроцессорный блок (МП);

ѕ блок индикации;

ѕ блок питания (БП);

ѕ измерительный мост;

ѕ блок клавиатуры;

ѕ дифференциальный усилитель;

ѕ генератор частоты 1кГц;

ѕ электроды.

Рисунок 3.1 - Схема электрическая структурная

Микроконтроллер выполняет обработку информации вводимой с клавиатуры, анализирует и выполняет полученные команды, выводит на жидкокристаллический экран полученные данные.

Визуальное отображение информации осуществляется с помощью блока индикации. В нее входит жидкокристаллический индикатор (ЖКИ). Наличие подсветки индикатора сигнализирует о начале подачи питания и , следовательно, о начале работы прибора.

Блок питания обеспечивает питание микропроцессора, ЖКИ, микроконтроллера , генератора частоты, блока клавиатуры, усилителя.

Блок клавиатуры состоит из кнопок "Вкл/Выкл.", "СТОП", "ПУСК", "СБРОС", "ЗАПИСЬ", "ПЕРЕДАТЬ". При нажатии кнопки "ПУСК" на электрод подается напряжение 2 вольта частотой 1кГц, а со второго электрода снимается значение тока, который преобразуется в напряжение и усиливается дифференциальным усилителем. При нажатии кнопки "СТОП" на индикатор выводится среднее значение удельной электропроводности кожных покровов. Полученное значение можно сохранить и передать на ПК через порт USB.

Блок измерения непосредственно позволяет измерить разность потенциалов, на основании которой вычисляется сопротивление и, следовательно, проводимость. Блок измерения представляет собой измерительный мост.

Перед записью и обработкой значение напряжения идет на вход АЦП и затем на МК.

Электроды жестко зафиксированы на одном расстоянии.

4.2 Разработка схемы электрической принципиальной

Микроконтроллер CygnalC8051F330 представляют собой полностью интегрированные на одном кристалле системы для обработки смешанных (аналого-цифровых) сигналов. Отличительные особенности данных МК перечислены ниже:

1 Высокопроизводительное микропроцессорное ядро CIP-51 с конвейерной архитектурой, совместимое со стандартом 8051 (максимальная производительность --25 MIPS).

2 Встроенные средства отладки, обеспечивающие внутрисистемную, "неразрушающую" отладку в режиме реального времени.

3 USB-контроллер с 8 настраиваемыми конечными точками подключения (Endpoint), встроенным приемопередатчиком и FIFO ОЗУ.

4 Регулятор напряжения питания (5В -->ЗВ).

5 10-разрядный 17-канальный АЦП (максимальная производительность -- 200 тыс. преобр./сек.) с однофазными/ дифференциальными входами и аналоговым мультиплексором.

6 Встроенные источник опорного напряжения и датчик температуры.

7 Встроенные компараторы напряжения (2).

8 Высокоточный программируемый 12 МГц внутренний генератор и 4-кратный умножитель тактовой частоты.

9 16 Кбайт встроеннойFlash-памяти.

10 2304 байт встроенного ОЗУ (256 + I_k + I_kUSBFIFO).

11 Аппаратно реализованные последовательные интерфейсы I²C/SMBus, расширенные SPI и УАПП.

12 Четыре 16-разрядных таймера общего назначения.

13 Программируемый массив счетчиков/таймеров (ПМС) с пятью модулями захвата/сравнения и сторожевым таймером.

14 Встроенные схема сброса по включению питания, схема слежения за напряжением питания и детектор исчезновения сигнала тактирования.

15 25/21 портов ввода/вывода с допустимым напряжением на выводах 5В.

Данные характеристики позволяют сделать вывод о том, что выбранный микроконтроллер полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к системе управления технологической ячейкой, при этом имеет достаточно высокие экономические показатели и характеристики надежности.

Алфавитно-цифровые ЖКИ-модули представляют собой недорогое и удобное решение, позволяющее сэкономить время и ресурсы при разработке новых изделий, при этом обеспечивают отображение большого объема информации при хорошей различимости и низком энергопотреблении. Возможность оснащения ЖКИ-модулей задней подсветкой позволяет эксплуатировать их в условиях с пониженной или нулевой освещенностью, а исполнение с расширенным диапазоном температур (-20°С...+70°С) в сложных эксплуатационных условиях, в том числе в переносной, полевой и даже, иногда, в бортовой аппаратуре.

Контроллер HD44780 потенциально может управлять 2-мя строками по 40 символов в каждой (для модулей с 4-мя строками по 40 символов используются два однотипных контроллера), при матрице символа 5 х 7 точек. Существует несколько различных стандартных форматов ЖКИ-модулей (символов х строк): 8 х 2, 16 х 1, 16 х 2, 16 х 4, 20 х 1, 20 х 2, 20 х 4, 24 х 2, 40 х 2, 40 х 4.

Для соединения ЖКИ-модуля с управляющей системой используется параллельная синхронная шина, насчитывающая 4 линий данных DB4…DB7,линию выбора операции R/W, линию выбора регистра RS и линию стробирования/синхронизации E.Кроме линий управляющей шины имеются две линии для подачи напряжения питания 5B-GND и Vcc, и линия для подачи напряжения питания драйвера ЖКИ-V0. На начальном этапе необходимо подать питание на ЖКИ- модуль и добиться от него признаков работоспособности. Подстроечный резистор R1 позволяет плавно менять напряжение питания драйвера ЖКИ, что приводит к изменению угла поворота жидких кристаллов. Этим резистором можно отрегулировать фактическую контрастность при некотором преимущественном угле наблюдения.



Рисунок 4.2 - Схема подключения ЖКИ модуля

Задача выбора усилителя системы измерения электрокожной проводимости заключается в выборе устройства, позволяющего усилить сигнал до необходимого уровня. Предположим, что напряжение расбаллансировки моста составляет доли мВ. Следовательно, для усиления напряжения достаточного для регистрации его на АЦП, необходимо, чтобы это напряжение составляло порядка 1 В. Таким образом, синтезируем усилитель с коэффициентом передачи порядка 100. Построение усилителя будем осуществлять на основе операционных усилителей (ОУ).