Информационно-измерительные системы для оценки электрических параметров биологических объектов (методология и научно обоснованные технические решения) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, доктор технических наук Демин, Алексей Юрьевич

• Демин, Алексей Юрьевич
• доктор технических наук
• 2011

Оглавление диссертации доктор технических наук Демин, Алексей Юрьевич

Перечень использованных сокращений

Введение

Глава 1. Методы и технические средства, применяемые для получения 23 информации об электрических свойствах биообъектов

1.1 Живая материя, как сложный нелинейный объект

1.1.1. Электрические потенциалы 25 1Л .2. Электрические токи 30 1.1.3. Электрические сопротивления (проводимости)

1.2. Кожный покров человека 37 1.2.1 Структура и основные свойства кожного покрова

1.2.2. Модели кожного покрова

1.3. Особенности измерения электрических параметров 43 биообъектов

1.4. Классификация технических средств, применяемых для 45 получения информации об электрических свойствах биообъектов

1.5 Методы измерения биоимпедансометрии

Выводы и постановка задач исследования

Глава 2. Структуры ИС для оценки с повышенной достоверностью 62 электрических свойств биообъектов

2.1. ИС, работающая совместно с платой сбора данных ПЭВМ

2.1.1 Функциональная схема ИС

2.1.2 Область применения ИС

2.1.3 Алгоритм работы ИС и режимы измерительной цепи 69 2.2 ИС с жесткой логикой работы

2.2.1 ИС с ИГЗМ и измерением тока короткого замыкания

2.2.2 ИС с ИГЗМ воздействующим попеременно двумя разными 76 значениями электрической мощности

2.3 Перспективные типы ИС, обеспечивающие определенность 78 энергетического режима измерения

Выводы по главе

Глава 3. Функциональные узлы ИС оценки электрических параметров 83 биообъектов

3.1. Входной мультиплексор

3.2 Функциональный узел, обеспечивающий получение режима 87 холостого хода

3.3 Функциональный узел, обеспечивающий получение режима 92 короткого замыкания измерительных электродов

3.4 Источник заданной электрической мощности 97 3.4.1.1 Области использования измерительных генераторов заданной электрической мощности

3.4.1.2. Основные требования к измерительным генераторам 104 заданной электрической мощности

3.4.1.3. Классификация измерительных генераторов заданной 109 мощности

3.5 Реализация ИГЗМ с УИН для ИС, работающей под управлением ПСД

З.бУстройство деления двух электрических напряжений

3.7 Функциональный узел преобразования и ввода в ПЭВМ 122 измерительной информации

3.8 Управление работой функциональных узлов 123 Выводы по главе

ГЛАВА 4. Исследование аналоговых измерительных генераторов 127 заданной электрической мощности

4.1 Анализ технических возможностей структур генераторов 127 заданной электрической мощности.

4.2 Элементы и узлы измерительных генераторов заданной электрической мощности

4.3 Структурные методы улучшения основных характеристик- 148 измерительных генераторов заданной электрической мощности.

4.4 Моделирование функциональных узлов измерительных 155 генераторов заданной электрической мощности

4.5 Погрешности аналоговых генераторов заданной электрической 163 мощности

4.6.Экспериментальные исследования многодиапазонного ИГЗМ

4.6.1 Описание конструкции

4.6.2 Влияние значения и характера сопротивления нагрузки на 171 метрологические характеристики разработанного генератора

4.6.3 Особенности организации и технические возможности 180 структур ИГЗМ, работающих в ИС с программным управлением через платы сбора данных ПЭВМ

4.7 Методика инженерного проектирования генераторов заданной 181 электрической мощности с делительными устройствами

4.8 Изменение полярности напряжения у генераторов заданной 185 мощности и структуры квазигенераторов

4.9 Компьютерное моделирование ИГЗМ с УИН на основе АПН

4.9.1 Моделирование ИГЗМ с перемножением сигналов

4.9.2 Моделирование ИГЗМ с делением сигналов 193 Выводы по главе

Глава 5. Исследование цифровых измерительных генераторов заданной 198 электрической мощности

5.1 Математические модели цифровых измерительных генераторов 199 заданной электрической мощности

5.2 Описание предложенной структуры ИГЗМ

5.3 Анализ влияния параметров однокристальных микро-ЭВМ на 207 технические характеристики ИГЗМ

5.4 Анализ погрешностей функциональных узлов цифровых ИГЗМ

5.4.1. Аналого-цифровое преобразование

5.4.2. Цифро-аналоговое преобразование 216 5.5. Основная погрешность цифрового ИГЗМ 219 Выводы по главе

ГЛАВА 6. Результаты исследования электрических параметров 223 биологических объектов

6.1. ИС с программируемой логикой работы

6.2 ИС с жестко заданным алгоритмом работы

6.2.1 Временные изменения электрических свойств локальных зон 246 на кожном покрове человека при мощности воздействия

Р = 700мкВт

6.2.2 Временные изменения электрических свойств локальных зон 248 на кожном покрове при мощности воздействия Р = 200мк-Вт

6.2.3 Временные изменения электрических свойств локальных зон 249 при мощности воздействия Р = бОмкВт

6.2.4 Временные изменения электрических свойств локальных зон 249 при мощности воздействия Р = ЪОмкВт

6.2.5 Анализ полученных данных

6.2.5.1 Изменения электрических свойств локальных зон- на 249 кожном покрове в течение суток

6.2.5.2 Влияние гидратации кожного покрова на результаты 252 измерения

6.2.5.3 Влияние значения и плотности электрической мощности 254 на результаты измерения

6.2.5.4 Сравнение результатов для различных режимов 258 измерения электрических параметров локальных зон кожного покрова

6.2.5.5 Интерпретация получаемых результатов измерения

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Информационно-измерительные системы для оценки электрических параметров биологических объектов (методология и научно обоснованные технические решения)»

Актуальность. Во многих практических задачах, в технике, медицине, биологии, электрохимии требуется получение объективной, воспроизводимой при повторных измерениях информации об электрических параметрах исследуемых объектов, таких как электрическое сопротивление или проводимость. При любых измерениях происходит взаимодействие средства измерения и объекта исследований (ОИ). Электрическое сопротивление относится, к пассивным физическим величинам, при измерении которых невозможно обойтись без воздействия на исследуемый объект электрической энергией. Как правило, измерения проводятся либо в режиме заданного тока, либо заданного падения напряжения. Измерения могут проводиться как на постоянном, так и на переменном токе. Указанные подходы не могут обеспечить получение высоких метрологических характеристик и воспроизводимости результатов измерения. в случае нелинейных теплозависимых ОИ. Под теплозависимыми объектами в данной работе понимаются такие, параметры которых зависят от электрической мощности, воздействующей на. них, и времени, в течение которого наступает состояние термодинамического равновесия^ в системе, т.е. от энергии^ затрачиваемой на получение нового состояния объекта. В число их входят как температурно зависимые элементы, так и устройства с нелинейными вольтамперными характеристиками (ВАХ). Наиболее сложные в данной группе объектов < имеют в ВАХ участки с отрицательным дифференциальным сопротивлением (туннельные, инжекционно-пролетные и лавинно-пролетные диоды с захватом плазмы, применяемые в технике сверхвысоких частот) исследуются в такой области электроники, как негатроника (исследования Лосева О.В., Абергауза Н.Д., Горяинова С.А., Удалова Н.П. и др.), к ним же относятся объекты биологической природы [134, 153-154, 136].

Низкая достоверность получаемых данных обусловлена тем, что не учитывается количество энергии, которое рассеивается в объекте в форме джоулевой теплоты или расходуется на изменение энергетического состояния частиц, входящих в его состав, зависящее от параметров самого объекта, то есть пренебрегают теплозависимостью и энергозависимостью объекта. Также не принимается во внимание то, что вольтамперные характеристики реальных физических объектов могут содержать участки с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Таким образом, при помощи измерительных приборов, работающих в различных режимах, получают разные значения измеряемого параметра и плохую сходимость данных для одного и того же объекта. При создании оборудования для технологических и медицинских установок (гальванообработка, электрофорез, электродиагностика и пр.) также необходима определенность энергетического режима (в частности одинаковое количество энергии, рассеиваемой в объекте в виде теплоты). Важной проблемой в физиотерапии является оптимизация физиотерапевтических воздействий. Значение ее для медицины определяется возможностью получения наилучшего терапевтического результата при минимальной нагрузке на организм. При проведении тестов в электродиагностике и построении кривой «Сила - Длительность» (графическое изображение зависимости пороговой силы тока, вызывающей минимальное сокращение мышцы, от продолжительности его действия^ неопределенность воздействия на мышцу электрической-мощностью составляет до 5-10 раз, что затрудняет точную оценку состояния объекта. Поэтому, для получения достоверных результатов измерения, необходимо, чтобы объект находился при определенной температуре и в нем рассеивалось постоянное значение электрической мощности (далее - ЭМ).

Исследования последних лет, проводимые на кафедре информационно-измерительной техники Уфимского государственного авиационного технического университета под руководством доктора технических наук, профессора В.Г. Гусева, позволили установить, что при построении устройств для измерения параметров теплозависимых компонентов целесообразно применять измерительные цепи, обеспечивающие неизменное значение ЭМ, рассеиваемой в объекте измерений, независимо от его электрического сопротивления. Такой подход обеспечивает определенность термодинамического состояния и неизменность мощностного возмущения, вносимого5 в объект измерения. Электронные устройства, обеспечивающие неизменное значение ЭМ, рассеиваемой« в физическом объекте, имеющем произвольное сопротивление (в определенном диапазоне) в нагрузке, подключенной к их» выходу, с погрешностью, не превышающей заданное значение, называют измерительными генераторами заданной электрической мощности (ИГЗМ).

Современные ИС для определения электрических параметров нелинейных теплозависимых ОИ (биообъектов в частности) используют те же принципы измерения, что и в начале прошлого века. Улучшение качества получаемой измерительной информации ведется по следующим перспективным направлениям:

• увеличение числа электродов и применение новых схем отведения;

• создание электродов из новых материалов, позволяющих уменьшить поляризационные эффекты и проводить длительные измерения.без снижения достоверности получаемой информации;

•» увеличение количества рабочих частот; применение усовершенствованных алгоритмов обработки информации;

• применение новых методов измерения.

Высокие заявляемые метрологические характеристики современных технических средств (в биоимпедансометрии, например, относительная погрешность измерения обычно декларируется порядка 0,1% для активного и реактивного сопротивления в диапазоне 0-1000 Ом), действительны только для случаев, когда ОИ является линейным, но применительно к биоткани это допущение несправедливо. Таким образом, имеющиеся ИС не решают основной проблемы определения электрических характеристик нелинейных теплозависимых объектов - энергетической неопределенности режима измерения.

Данная работа является изложением совокупности научно обоснованных технических решений, внедрение которых позволит получить средства получения информации о параметрах и состоянии нелинейных-теплозависимых объектов с характеристиками, удовлетворяющими современным требованиям, и тем самым внести значительный вклад в развитие многих отраслей экономики.

Актуальность данной тематики отражается ее наличием в плане фундаментальных исследований Российской академии наук на период -до 2025 года (Раздел 6. Биологические науки) «Разработка информационных систем нового поколения для регистрации и анализа физиологических данных, биологических изображений»; «Разработка методов и средств оценки и коррекции функционального состояния людей, выполняющих напряженные физические нагрузки в экстремальных условиях (космический полет, спорт высших достижений, спасательные работы и т.п.)». Исследования биообъектов, проводимые в Институте системного анализа РАН, направлены,на определение биологического возраста «Диагностика старения»; Институт медико-биологических проблем РАН на основе методов анализа вариабельности сердечного ритма разрабатывает критерии, алгоритмы и математическую модель оценки функциональных состояний организма человека; там же разработан метод дисперсионного картирования электрокардиограммы, позволяющий выявлять начальные метаболические и коронарные изменения в миокарде, недоступные при традиционной электрокардиографической оценке. При исследованиях влияния солнечных возмущений на функционирование и синхронизацию человеческого организма (Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН) и других подобных исследованиях на данном этапе применяются электрические методы измерения, не обеспечивающие метрологическую определенность режима измерения для нелинейных теплозависимых объектов. Исследования- по созданию измерительных преобразователей физиологической информации ведутся также в ряде ведущих ВУЗов России: Самарский государственный аэрокосмический университет им. С.П. Королева, Пензенский государственный университет, Волгоградский государственный технический университет и др. Начало работ с близкой тематикой было положено Зеленовым С.А., МиринымН.В. [67, 138].

Ими проведены первые экспериментальные исследования, однако предлагаемые технические решения имеют малый динамический диапазон сопротивлений нагрузки £)=3, в то время, как для медицинских применений необходимо £»50. В работе Мириной Т.В. по исследованиям параметров биологических объектов, предлагается оценивать электрическую мощность, отдаваемую объектом, и использовать это значение в диагностических целях

139]. Мустафиным Т.Н. проведена оценка параметров биообъектов в режиме воздействия неизменным значением мгновенной электрической мощности

140]. Черниковым И.Г. предложено параметры теплозависимых объектов определять на основе информации о количественной составляющей рассеиваемой в них активной ЭМ, получаемой на разных частотах [143]. В работах выполненных под руководством Галиева А.Л., предлагаются генераторы заданной мощности и энергии, однако-для обеспечения требуемой погрешности динамический диапазон сопротивлений нагрузки £>=100 разбивается на десять поддиапазонов [141-142]. Схемы существующих цифровых ИГЗМ имеют низкую надежность и сравнительно большое время установления значения мощности, неудовлетворительную погрешность поддержания заданной мощности, так как при скорости изменения сопротивления нагрузки 500 кОм/с (для медицинских применений при основной погрешности 1,8-2,8 % динамическая погрешность превышает основную в несколько раз). Не изучено влияние характера реактивной составляющей сопротивления нагрузки на режим работы генераторов, что не позволяет точно определить области их применения. Таким образом, необходимо развить научно обоснованную методологию и разработать новые технические решения получения информации о нелинейных теплозависимых объектах, отличающиеся большей*достоверностью получаемых данных

Научные исследования при участии автора выполнялись с 1999 г. на кафедре-информационно-измерительной техники Уфимского государственного авиационного технического университета. Актуальность работы подтверждается также:

- грантом правительства Республики Башкортостан для молодых ученых по направлению «Технические науки. Приборо- и аппаратостроение» 2010 г.;

- включением в план госбюджетных НИР УГАТУ в. 2001-2009 гг. ("Измерительные генераторы заданной мгновенной электрической' мощности" (грант Минобразования РФ); "Создание информационной системы нового типа для оперативного получения информации о психофизиологическом состоянии военнослужащих и операторов ответственных установок" (программа сотрудничества Минобразования и Минобороны РФ 2002-2003 гг. и др.).

Цель работы: развить научно обоснованную методологию и разработать совокупность технических решений получения информации« о электрических параметрах биообъектов, повышающих достоверность получаемых данных, предложить и исследовать* структуры соответствующих измерительных систем (ИС).

Основные задачи, которые потребовалось решить для достижения поставленной цели:

1. выполнить критический анализ известных технических решений построения средств оценки электрических параметров нелинейных теплозависимых объектов (биологических объектов) и факторов, ограничивающих их применение; определить перспективные пути их совершенствования, осуществить постановку задач исследования;

2. разработать научно обоснованную методологию создания ИС для оценки электрических параметров биообъектов с улучшенными техническими характеристиками;

3. разработать и исследовать совокупность научно обоснованных технических решений для измерительных систем оценки* электрических параметров биообъектов;

4. разработать математические модели оригинальных измерительных преобразователей, установить и улучшить с помощью математического моделирования и пакетов моделирования электронных схем их технические параметры и схемотехнику; дать рекомендации для проектирования;

5. предложить новые и усовершенствовать существующие способы обработки сигналов предложенных ИС; разработать алгоритмы позволяющие расширить объем и повысить достоверность получаемой информации;

6. исследовать и разработать эффективные режимы работы систем получения достоверной информации о параметрах биообъектов, при ограниченном числе измерительных операций;

7. выполнить комплекс экспериментальных исследований созданного класса ИС для проверки теоретических положений.

Боу введении• обоснована актуальность выполненной научной работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены научные результаты, выносимые на защиту, указана их научная новизна и практическая ценность.

В первой главе рассмотрены основные электрические параметры живой материи (как сложного нелинейного объекта) и особенности их измерения. Показаны основные методы измерения и современные тенденции их усовершенствования. Показаны перспективные способы улучшения достоверности получаемой информации о нелинейных теплозависимых объектах и биообъектах в частности. Сформулированы задачи исследования.

Во второй главе по результатам проведенного обзора методов и средств получения информации об электрических свойствах живой материи сформулированы основные требования к ИС данного целевого назначения. ИС разделены на группы по типу управления: с программным- и аппаратным управлением. ИС с жесткой логикой работы являются компромиссным вариантом, их использование обусловлено попытками определить оптимальные режимы работы и выявить закономерности в изменении электрических параметров, сложных нелинейных объектов. Такие ИС позволяют проводить, долговременные измерения при простой аппаратной базе, что сокращает время на разработку, отладку устройства.

ИС с программируемой логикой работы имеют больше, возможностей и позволяют гибко изменять алгоритм работы, вести запись результатов измерения и проводить их визуализацию в виде графиков и таблиц, а также рассчитывать ряд параметров, измеряемых косвенно: Показано, что наиболее перспективными являются ИС на основе микроконтроллеров. Рассмотрены алгоритмы работы ИС и режимы измерительной цепи.

Представлены варианты структур ИС, реализующих эффективные алгоритмы работы, как с однократными, так и с многократными измерениями.

Исследования, проведенные с помощью данных структур, позволят выявить оптимальные варианты и алгоритмы работы, которые необходимо использовать при широком внедрении данных ИС. Результаты^ исследований представлены в последующих главах работы.

В третьей" главе рассматриваются функциональные узлы,-входящие в состав ИС данного целевого назначения и способы их реализации: Показаны особенности их работы. Особое внимание уделено функциональным узлам ИС, обеспечивающим режим заданной ЭМ. Дан обзор принципов и технических приемов, используемых при создании ИГЗМ, проанализированы недостатки и преимущества различных технических решений. Показаны возможные области использования ИГЗМ. Обосновано, что ИГЗМ должны быть непременным атрибутом измерительных цепей устройств, для определения электрического сопротивления, импеданса, проводимости и иммитанса живой материи.

На основании анализа научной литературы и требований, предъявляемых к генераторам электрических сигналов, сформулированы технические требования к маломощным ИГЗМ. Показано, что имеющиеся схемы ИГЗМ не в полной мере удовлетворяют предъявляемым требованиям и необходимо создание новых схем и подходов к проектированию ИГЗМ. С этой целью создана оригинальная классификация ИГЗМ5 по типу, структурной схемы и способу получения, заданной ЭМ Предложено выполнять генераторы- со средним значением заданной ЭМ с помощью время-импульсных, цифровых и логарифмических перемножителей. Показано, что при любом типе структурной схемы в качестве источника ЭМ используется управляемый источник тока либо напряжения. Классификация позволяет выбрать для конкретного применения наиболее подходящую структуру ИГЗМ.

Рассмотрены варианты реализации устройств деления двух электрических сигналов, показаны их достоинства и недостатки.

В результате анализа и систематизации способов и методов, а также экспериментальных исследований созданы функциональные узлы, удовлетворяющие предъявляемым требованиям.

Четвертая глава посвящена исследованиям аналоговых ИГЗМ.

Показано, что причиной потери устойчивости схемами аналоговых ИГЗМ является» неидеальность параметров устройства деления электрических сигналов. Предложены способы устранения» указанных недостатков. Разработаны оригинальные совмещенные преобразователи ток-напряжение и управляемые источники напряжения, обладающей линейной характеристикой в диапазоне напряжений и токов, характерных для сопротивления кожного покрова человека при измерении на постоянном токе. Предложены структурные методы улучшения основных характеристик ИГЗМ. Представлены результаты моделирования отдельных узлов и полных схем аналоговых ИГЗМ. Показано, что погрешность обеспечения значения заданной ЭМ у аналоговых генераторов с управляемыми источниками напряжения (УИН) и делением сигналов в два-три раза меньше, чем у генераторов с УИН и перемножением сигналов при одинаковых диапазонах изменения сопротивлений нагрузки. Впервые рассмотрено влияние на режимы работы ИГЗМ индуктивной и емкостной составляющей сопротивления-нагрузки.

Разработана методика инженерного проектирования аналоговых ИГЗМ с делительными устройствами. Даны рекомендации по сопряжению ИГЗМ с платами сбора данных (ПСД) ПЭВМ, и выявлены ограничения, которые накладывает на ИГЗМ работа в подобных устройствах под управлением программ, выполняющихся в многозадачных операционных системах.

В пятой главе рассматриваются цифровые генераторы электрической заданной мощности. Приводятся математические модели данных генераторов. Описаны оригинальные структурные схемы ИГЗМ,на основе однокристальных микро-ЭВМ (ОМЭВМ) со встроенными ЦАП и АЦП, позволяющие создать высокоточные и достаточно быстродействующие (с рабочей полосой частот до 30 кГц) генераторы с минимальным числом компонентов, не требующие сложной настройки. Предложены возможные алгоритмы их работы и способы повышения быстродействия и увеличения выходной мощности. Рассматриваются их технические возможности и метрологические характеристики. Выявлено, что погрешность цифровых ИГЗМ на основе ОМЭВМ с встроенными ЦАП* и АЦП не превышает 0,1-1,9% в зависимости от типа и числа разрядов ЦАП и АЦП, типа процессора микроконтроллера и его тактовой частоты.

Разработанные структуры цифровых ИГЗМ на основе ОМЭВМ обладают целым рядом достоинств:

- гибкое изменение режима работы ИГЗМ за счет программного кода;

- регистрация и/или вывод информации об измеряемом параметре во внешние устройства для управления технологическим процессом;

- малые массогабаритные показатели и повышенная надежность генератора в целом;

- устройства не требуют сложной настройки и обеспечивают получение гарантированных метрологических характеристик в течение длительного времени, что важно при серийном, производстве и интенсивной эксплуатации.

Показано, что цифровые ИГЗМ являются перспективным путем развития генераторов данного типа, т.к.:

• обладают приемлемым; для: большинства применений быстродействием (рабочая полоса частот более 20 кГц);

• обеспечивают устойчивую работу, в отличие от аналоговых ИГЗМ;

• гибко изменяют режим работы за счет программного кода;

• легко интегрируются в ИС через стандартные интерфейсы.

В* шестой главе собраны результаты нескольких лет экспериментальных исследований с помощью разработанных ИС. Анализ полученных данных позволил выявить для ИС эффективные режимы работы- и подходы к их проектированию, а также подтвердить основные теоретические положения работы.

Показано, что можно получить большой объем достоверной* информации о состоянии структур организма, связанных с конкретной локальной зоной, путем: использования? совокупности предложенных измерительных операций и обработки полученных результатов. Проведенные исследования« открывают возможность создания, дешевых приборов, позволяющих, получить достоверную информацию о качестве метаболизма в зонах биологического объекта. Показана несостоятельность распространенного мнения, о невозможности получения достоверных результатов прш измерениях электрических параметров живой материи и жидких сред. Не обнаружено зависимости между значением электрического сопротивления и плотности вносимой в объект при измерении ЭМ при площадях измерительных электродов более 3 мм2. Поэтому предлагается для получения; достоверной и воспроизводимой информации об электрических параметрах локальных зон кожного покрова, человека нормировать! значение ЭМ и энергии экспериментально установлено, что значения мощности порядка 30-60 мкВт в большинстве случаев не изменяют термодинамического состояния кожного покрова).

Получен общий вывод, что увлажнение кожного покрова* при использовании разных электродов незначительно меняет получаемые результаты и в этом большое преимущество использованного^ подхода к измерениям* параметров локальных зон кожного покрова человека.

Впервые проведенное сравнение электрических методов оценки электрических параметров локальных зон кожного покрова показало, что применение режима измерения с воздействием на объект фиксированным значением электрической^ мощности обеспечивает лучшую сходимость получаемых данных (по сравнению с режимом заданного электрического тока на 40% и более чем на порядок по сравнению с режимом заданного падения напряжения при мощностях воздействия 30-60 мкВт)

Полученные результаты дали новую информацию об электрических свойствах организма и его кожного покрова, изменили взгляды на их информационную значимость и открыли возможности создания гаммы устройств для тех областей, в которых применение электрических методов ранее не давало достоверной информации. Разработанные новые технические решения позволяют создать устройства для проведения* массового обследования и мониторинга состояния здоровья* населения, что является важной социальной задачей.

Научная новизна исследований, проведенных в работе, заключается в следующем:

1. Обоснована общая концепция построения ИС определения электрических параметров биообъектов и других сложных нелинейных объектов, основанная на применении принципов инвариантности измерений относительно электрического сопротивления, обеспечения избыточности за счет комбинации измерительных режимов и выполнения измерений в режиме термодинамического равновесия межу объектом и измерительной системой;

2. Предложена оригинальная классификация ИГЗМ, что в совокупности с приведенными результатами исследования их технических характеристик позволяет лучше оценивать степень пригодности конкретного типа генератора для-использования в требуемых условиях;

3. Экспериментально установлено, что значения мощности порядка 30-60 мкВт не меняют существенно термодинамическое состояние кожного покрова. При площадях электродов более 3 мм2 предлагается для получения достоверной и воспроизводимой информации об электрических параметрах локальных зон кожного покрова человека нормировать значение электрической мощности;

4. Предложен ряд решений по построению ИГЗМ с улучшенными характеристиками; исследованы вопросы устойчивости и даны рекомендации по выбору структур генераторов (для диапазонов сопротивлений нагрузки) и коэффициентов преобразования функциональных узлов; предложены схемы совмещенных управляемых источников напряжения и преобразователей ток-напряжение (УИН-ПТН), обеспечивающие линейную характеристику преобразования при электрических мощностях 20-150 мкВт для нагрузки 101000 кОм; установлено, что наиболее точными из исследованных аналоговых ИГЗМ, являются генераторы с прямой реализацией уравнения и=рЛ (погрешность обеспечения ЭМ не более 5% для нагрузки 10-1000 кОм), у генераторов, получающих ЭМ косвенным путем, — за счет ОС погрешность в два раза выше при тех же условиях; N

5. Научно обоснованы новые структуры ИС и режимы их работы, обеспечивающие результат, инвариантный к электрическому сопротивлению биообъектов и повышенную сходимость получаемых данных (по сравнению с режимом заданного электрического тока на 40% и более чем на порядок по сравнению с режимом заданного падения напряжения при мощностях воздействия 30-60 мкВт).

6. Впервые в систематизированном виде представлена информация по аналоговым и цифровым ИГЗМ, как основным функциональным узлам, позволяющим реализовать предлагаемую концепцию. Разработаны математические модели цифровых ИГЗМ, по которым произведена оптимизация по быстродействию и точности. Разработана методика расчета ИГЗМ с устройствами деления сигналов.

7. Показано, что при нормированном воздействии на> биообъект заданным значением ЭМ получаются более достоверные данные, не только об электрическом сопротивлении объекта, но и об остальных электрических параметрах. Разработаны алгоритмы обработки информации» позволяющие получить расширенный объем данных о параметрах биообъектов.'

Практическая ценность работы. Практическую ценность имеют:

- результаты теоретических исследований характеристик ИГЗМ и оценки реальных характеристик и показателей* функциональных узлов, полученных экспериментально;

- математические модели предложенных цифровых ИГЗМ, позволяющие определять основные характеристики генераторов и параметры функциональных узлов;

- методики рационального проектирования« ИГЗМ и выбора, параметров разработанного класса ИС оценки электрических параметров биообъектов, обеспечивающие энергетическую определенность режима измерений и возможность, получения расширенного и более достоверного объема данных по сравнению с аналогами;

- техническая документация (принципиальные схемы, алгоритмы и программы) для изготовления разработанных ИС и экспериментальные образцы систем, обеспечивающих энергетическую определенность режима измерения;

- программно-аппаратные средства обработки сигналов и калибровки разработанного класса ИС.

В заключении приводятся основные положения, выносимые на защиту, и выводы по работе.

Общий объем диссертационной работы составляет 295 листов машинописного текста (без приложений). Работа содержит 73 иллюстрации, 34 таблицы и 5 приложений. Список литературы содержит 155 наименований.

На защиту выносятся:

1. Общая методология построения ИС оценки электрических параметров биообъектов.

2. Научно обоснованные технические решения, повышающие достоверность информации об электрических параметрах биообъектов:

- структуры ИС для оценки электрических параметров биообъектов;

- режимы работы ИС для оценки электрических параметров биообъектов;

- новые схемы построения ИГЗМ.

3. Математические модели предложенных измерительных преобразователей и рекомендации по рациональному проектированию ИС на их основе.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований предложенных ИС и алгоритмы обработки получаемой информации.