СТАБИЛОГРАФ Российский патент 1997 года по МПК A61B5/16 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для оценки психофизиологического состояния человека путем анализа изменений положения центра тяжести на опорную плоскость.

Известно устройство для измерения опорных реакций, защищенное авт.св. СССР 1629032, кл. A 61 B 5/103, 1990. Устройство содержит опорную раму, опорную плиту, винты фиксации и регулировки, генератор сигналов возбуждения, однокомпонентные пьезодатчики, блок управления, включающий тактовый генератор, электронные ключи, триггер, одновибраторы и коммутатор, аналоговое запоминающее устройство, аналого-цифровой преобразователь, блок памяти, цифропечатающее устройство, вычислитель, графопостроитель и ключ разрешения измерения. Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения перемещения центра тяжести испытуемого вследствие зависимости погрешности измерения от веса. Кроме того из-за использования пьезодатчиков, воспринимающих только динамическое воздействие, невозможно измерение координат в статике.

Известно устройство платформенного типа для многокомпонентного измерения сил и моментов, содержащее квадратную силовоспринимающую плиту, связанную с основанием через четыре одинаковых упругих элемента. На каждом упругом элементе размещены шесть тензодатчиков, три из которых расположены на первом стержне упругого элемента. Стержни образуют угол 45^o с координатными осями. Каждый тензодатчик включен в измерительную схему, выход которой через коммутатор и аналого-цифровой преобразователь подключен к процессору (см. авт. св. СССР 1783329, кл. G 01 L 5/16, 1992). Это устройство имеет более высокую точность измерения сил и моментов, позволяет измерять их в статике. Недостаток низкие функциональные возможности из-за отсутствия канала измерения перемещения центра тяжести.

Устройство по авт.св. СССР N 1783329, кл. G 01 L 5/16 принято в качестве прототипа, общими признаками которого с заявляемым устройством, являются:
а) элементы конструкции:
платформа, установленная на нескольких опорах;
тензометрические преобразователи, закрепленные на опорах;
широкополосные усилители;
аналого-цифровой преобразователь;
блок управления, отображения и обработки информации, включающий персональную ЭВМ и однокристальную микро-ЭВМ;
б) связи между элементами конструкции:
соединение входов широкополосных усилителей с выходами соответствующих тензометрических преобразователей;
последовательное соединение аналого-цифрового преобразователя и блока управления, отображения и обработки информации.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей за счет изменения положения центра тяжести и обеспечения возможности анализа сигналов сердечных сокращений и дыхания.

Указанная цель достигается тем, что стабилограф, содержащий платформу, установленную на нескольких опорах, на каждой из которых закреплен тензометрический преобразователь реакции опоры на нагрузку, широкополосные усилители, вход каждого усилителя подключен к соответствующему тензометрическому преобразователю, и последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь и блок управления, отображения и обработки информации, дополнительно содержит аналоговый сумматор, каждый вход которого соединен с выходом соответствующего широкополосного усилителя, блок вычисления координат центра тяжести, входы которого подключены к выходам широкополосных усилителей, блок выделения сигналов сердечных сокращений и блок выделения сигналов дыхания, входы которых подключены к выходу аналогового сумматора, мультиплексор, аналоговые входы которого подключены к выходам блока вычисления координат центра тяжести, блока выделения сигналов дыхания, программируемый усилитель, вход которого подключен к выходу мультиплексора, а выход к входу аналого-цифрового преобразователя, последовательно соединенные усилитель и инвертирующий повторитель, вход усилителя соединен с выходом аналогового сумматора, а выходы усилителя и инвертирующего повторителя соединены с шинами питания тензометрических преобразователей, при этом выходы блока управления, отображения и обработки соединены с входами управления блока вычисления координат центра тяжести мультиплексора, программируемого усилителя и аналого-цифрового преобразователя.

Блок вычисления координат центра тяжести содержит для каждой координаты последовательно соединенные цифро-аналоговый преобразователь и решающий усилитель, неинвертирующие входы решающего усилителя по координате X подключены к входам блока, соответствующим опорам с положительными координатами по оси X, инвертирующие к входам блока, соответствующим опорам с отрицательными координатами по оси X, неинвертирующие входы решающего усилителя по координате Y подключены к входам блока, соответствующим опорам с положительными координатами по оси Y, инвертирующие к входам блока, соответствующим опорам с отрицательными координатами по оси Y, входы цифро-аналоговых преобразователей являются управляющими входами блока, выходы решающих усилителей являются выходами блока.

Устройство ввода-вывода блока управления, отображения и обработки информации содержит шесть регистров хранения и два дешифратора и связано с однокристальной микро-ЭВМ шиной данных и адреса и шиной управления, при этом кодовые входы пяти регистров соединены с шиной данных и адреса, кодовые входы дешифраторов соединены с выходом первого регистра хранения, вход записи которого подключен к цепи записи адреса (ALE) шины управления, вход строба первого дешифратора подключен к цепи записи данных (WR) шины управления, а выходы к соответствующим входам записи второго, третьего, четвертого и пятого регистров хранения, вход строба второго дешифратора подключен к цепи считывания (RD) шины управления, первый выход второго дешифратора является выходом блока управления, отображения и обработки информации, подключенным к входу "Преобразование" аналого-цифрового преобразователя, второй выход второго дешифратора соединен с входом считывания шестого регистра хранения, кодовый вход которого является входом блока управления, отображения и обработки информации, соединенным с кодовым выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход подключен к шине данных и адреса, кодовый выход второго регистра хранения является выходом блока управления, отображения и обработки информации, соединенным с входом управления каналами мультиплексора, кодовый выход третьего регистра хранения выходом, соединенным с входом управления коэффициентом усиления программируемого усилителя, кодовые выходы четвертого и пятого регистров хранения выходом, соединенным с входом управления блока вычисления координат центра тяжести.

Блок выделения сигналов сердечных сокращений содержит последовательно соединенные фильтр нижних частот с частотой среза 2,8-3,0 Гц, усилитель и фильтр верхних частот с частотой среза 0,5-0,6 Гц.

Блок выделения сигнала дыхания содержит последовательно соединенные фильтр нижних частот с частотой среза 0,5-0,7 Гц, усилитель и фильтр верхних частот с частотой среза 0,08-0,1 Гц.

Авторам неизвестен источник информации, в котором был бы описан стабилограф, содержащий блоки выделения сигналов сердечных сокращений и сигналов дыхания, а также сведения о том, что из суммы напряжений, пропорциональных реакциям опор на нагрузки, можно выделить сигналы сердечных сокращений и сигналы дыхания, поэтому авторы считают, что заявленное ими техническое решение соответствует критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображена блочная схема стабилографа; на фиг. 2 - электрическая схема тензометрических преобразователей, широкополосных усилителей, аналогового сумматора, усилителя и инвертирующего повторителя; на фиг. 3 блочная схема блока вычисления координат центра тяжести; на фиг. 4 - функциональные схемы блока вычисления координат центра тяжести при трехопорной а) и четырехопорной б) платформе; на фиг. 5 функциональная схема блока выделения сигналов сердечных сокращений; на фиг. 6 пример реализации программируемого усилителя с использованием цифро-аналогового преобразователя; на фиг. 7 функциональная схема устройства ввода-вывода.

На фигурах 1-7 цифрами обозначены: 1 платформа; 2.1-2.n опоры; 3.1-3.n тензометрические преобразователи; 4.1-4.n широкополосные усилители; 5 аналоговый сумматор; 6 усилитель; 7 инвертирующий повторитель; 8 блок вычисления координат центра тяжести; 9 блок выделения сигналов сердечных сокращений; 10 блок выделения сигналов дыхания; 11 - мультиплексор; 12 программируемый усилитель; 13 аналого-цифровой преобразователь; 14 блок управления, отображения и обработки информации; 15 персональная ЭВМ; 16 интерфейс; 17 однокристальная микро-ЭВМ; 18 устройство ввода-вывода; 19 повторитель; 20, 21 цифро-аналоговые преобразователи; 22, 23 решающие усилители; 24 фильтр нижних частот; 25 усилитель; 26 фильтр верхних частот; 27 цифро-аналоговый преобразователь; 28 усилитель; 29-34 регистры хранения; 35, 36 дешифраторы.

Заявленный стабилограф (фиг. 1) содержит платформу 1, установленную на опоры 2.1-2. n, тензометрические преобразователи 3.1-3.n, закрепленные на опорах 2.1-2. n, широкополосные усилители 4.1-4.n, подключенные к выходам тензометрических преобразователей. Питание этих преобразователей осуществляется напряжением, обратно пропорциональным сумме выходных напряжений усилителей 4.1-4. n. Для этого выходы усилителей 4.1-4.n соединены с выходами аналогового сумматора 5, а выход сумматора 5 через усилитель 6 соединен с первой шиной питания тензометрических преобразователей 3.1-3.n и через инвертирующий повторитель 7 со второй. Блок 8 вычисления координат центра тяжести подключен к выходам усилителей 4.1-4.n и предназначен для формирования из напряжений, пропорциональных реакциям опор 2.1-2.n на нагрузку в напряжения, пропорциональные координатам X и Y центра тяжести. К выходу сумматора 5 подключены блок 9 выделения сигналов сердечных сокращений и блок 10 выделения сигналов дыхания. Мультиплексор 11 предназначен для поочередного подключения выходов блоков 8, 9 и 10 к входу программируемого усилителя 12, напряжение на выходе которого с помощью аналого-цифрового преобразователя 13 преобразуется в двоичный код. Блок управления, отображения и обработки информации содержит последовательно соединенные персональные ЭВМ (ПЭВМ) 15, интерфейс 16, однокристальную микро-ЭВМ (ОМЭВМ) 17 и устройство 18 вводы-вывода. ПЭВМ 15 предназначена для обработки и анализа информации, интерфейс 16 обеспечивает передачу информации от ОМЭВМ 17 к ПЭВМ 15, ОМЭВМ 17 предназначена для организации съема информации, устройство 18 предназначено для преобразования команд ОМЭВМ 17 в управляющие сигналы.

Блок 8 (фиг. 3 и 4) содержит цифро-аналоговые преобразователи 20, 21 и решающие усилители 22, 23. При трехопорной платформе 1 с неинвертирующими (суммирующими) входами усилителя 22 соединены выходы ЦАП 20 и широкополосного усилителя 4.2 (U_R2), к инвертирующему (вычитающему) входу усилителя 22 подключен выход широкополосного усилителя 4.1 (U_R1). Входы усилителя 23 подключены: неинвертирующий к выходу ЦАП 21, инвертирующий к выходу широкополосного усилителя 4.3 (U_R3). При четырехопорной платформе 1 входы усилителя 22 подключены: неинвертирующие к выходам ЦАП 20 и широкополосных усилителей 4.2 и 4.3 (U_R2 и U_R3), инвертирующие - к выходам широкополосных усилителей 4.1 и 4.4 (U_R1 и U_R4), входы усилителя 23: неинвертирующие к выходам ЦАП 21 и усилителей 4.1 и 4.2, инвертирующие к выходам усилителей 4.3 и 4.4. Блок 9 выделения сигналов сердечных сокращений (фиг. 5) содержит последовательно соединенные фильтр 24 нижних частот, широкополосный усилитель 25 и фильтр 26 верхних частот. Блок 10 выделения сигналов дыхания имеет аналогичную блочную схему. Разница состоит в частотах среза фильтров нижних и верхних частот. Для блока 9 частота среза нижних частот лежит в пределах 2,8-3,0 Гц, верхних 0,5-0,6 Гц, для блока 10 0,5-0,7 Гц и 0,08-0,1 Гц соответственно. Программирумый усилитель 12 предназначен для нормирования сигналов на входе аналого-цифрового преобразователя 13 и имеет управление по коэффициенту усиления. Пример реализации такого усилителя показан на фиг. 6. Цифро-аналоговый преобразователь 27 микросхема К572ПА1 включен в цепь обратной связи операционного усилителя 28 микросхема 14ОУД1.

Устройство 18 ввода-вывода (фиг. 7) содержит шесть регистров хранения и два дешифратора и предназначено для преобразования команд управления от ОМЭВМ 17 в управляющие сигналы. Регистр 29 и дешифраторы 35, 36 предназначены для записи адреса блока, на который подается команда, регистры 30, 31, 32, 33 для записи кода этой команды. Регистр 34 соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя 13 и предназначен для считывания кодов координат центра тяжести и уровней сигналов сердечных сокращений и дыхания в ОМЭВМ 17. Устройство 18 с ОМЭВМ 17 связано шиной данных и адреса и шиной управления. Шина данных адреса (ШАД) соединена с входами регистров 29, 30, 31, 32, 33 и выходом регистра 34. Цепи шины управления соединены: записи адреса ALE с входом записи регистра 29, записи данных WR с входом стробирования дешифратора 36, считывания данных RD с входом стробирования дешифратора 35. Выходы дешифратора 35 соединены: один с входом "Преобразование" аналого-цифрового преобразователя 13, другой с входом считывания регистра 34. Выходы дешифратора 36 соединены с входами записи регистров 30, 31, 32, 33.

Заявленный стабилограф работает следующим образом. Испытуемого (пациента) помещают на платформу 1. Под действием его веса в опорах 2.1- 2.n возникают усилия сжатия (или растяжения) и на выходах тензометрических преобразователей возникают напряжения, пропорциональные реакциям опор на нагрузку. Для пояснения дальнейшей работы стабилографа рассмотрим, чему равны напряжения на выходах широкополосных усилителей 4.1-4.n на примере трехопорной платформы. Пусть опоры размещены в вершинах равностороннего треугольника со стороной a и оси координат X, Y проходят через геометрический центр треугольника, как показано на фиг. 5а.

Из условия равенства моментов сил вокруг осей OX и OY и равенства сил имеем

Решая эти уравнения, определим зависимость реакций опор на нагрузку от веса испытуемого и координат центра тяжести.

Напряжение на выходе широкополосного усилителя равно
U_Rn K • S • R_nx • E_пит
где
K коэффициент усиления усилителя;
S крутизна тензометрического преобразователя;
E_пит напряжение питания тензометрических преобразователей.

где
β коэффициент передачи аналогового сумматора 5 и усилителя 6;
E₀ напряжение источника питания.

Подставляя (8) в (7) имеем т.е. напряжение на выходе широкополосного усилителя прямо пропорционально реакции опоры на нагрузку и обратно пропорционально нагрузке.

Подставляя (4-6) в (9), получим

т. е. напряжения на выходах широкополосных усилителей зависят только от координат центра тяжести, поэтому их использование позволяет без затруднений измерить координаты центра тяжести.

Таким образом, напряжения на выходе блока 8 U_x и U_y зависят только от координат центра тяжести и содержат составляющие, позволяющие изменять начало координат. В уравнениях (13), (14) M_x, M_y - коэффициенты усиления усилителей 22, 23 соответственно.

Напряжение на выходе аналогового сумматора 5 пропорционально сумме реакций опор на нагрузку, т.е. весу испытуемого.

Экспериментально установлено, что измеряемая сумма реакций опор на нагрузку практически не зависит от координат центра тяжести, а изменяется синхронно с частотой сердечных сокращений и частотой дыхания, поэтому по изменению этого напряжения можно судить о психоэмоциональном состоянии человека, его реакции на тестовые задания.

Сигналы с блоков 8, 9, 10 поочередно, с заданной тактовой частотой, считываются в ОМЭВМ 17 и передаются в ПЭВМ 15.

В ПЭВМ 15 производится обработка и анализ информации и отображение на экране дисплея результатов измерений и анализа.

Итак, испытуемый устанавливается на платформу 1 в рекомендуемой позе (стойке). На экране ПЭВМ 15 отображается положение центра тяжести, например, светящейся точкой на координатной сетке. Испытуемый получает задание путем изменения положения тела, либо удерживать светящуюся точку в центре координат при тестовом изменении U_xo, U_yo, либо перемещать ее в соответствии с заданием. По скорости выполнения задания, флюктуациям координат центра тяжести можно судить о психофизиологическом состоянии человека. Анализ изменений частоты сердечных сокращений и частоты дыхания при выполнении задания позволяет судить дополнительно об эмоциональном состоянии человека, что существенно расширяет функциональные возможности стабилографа. Заявленный стабилограф может использоваться для профессионального отбора, в качестве детектора лжи, для мониторинга тяжело больных, детей.

Использование: изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для оценки психофизиологического состояния человека путем анализа изменений положения проекции центра тяжести на опорную плоскость. Сущность: стабилограф содержит: платформу 1, установленную на нескольких опорах 2.1-2. n; тензометрические преобразователи 3.1-3.n, закрепленные на этих опорах; широкополосные усилители 4.1-4.n, подключенные к тензометрическим преобразователям; резистивный аналоговый сумматор 5, через усилитель 6 и инвертирующий повторитель 7, соединенный с шинами питания тензометрических преобразователей; блок 8 вычисления координат центра тяжести, вход которого соединен с выходами широкополосных усилителей 4.1-4.n; подключенные к выходу резистивного аналогового сумматора 5, блок 9 выделения сигналов сердечных сокращений и блок 10 выделения сигналов дыхания; мультиплексор 11, подключенный к выходам блоков 8, 9 и 10 и последовательно соединенный программируемый усилитель 12, аналого-цифровой преобразователь 13 и блок 14 управления, отображения и обработки информации. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Стабилограф, содержащий платформу, установленную на нескольких опорах, на каждой из которых закреплен тензометрический преобразователь реакции опоры на нагрузку, широкополосные усилители, вход каждого из которых подключен к соответствующему тензометрическому преобразователю, аналого-цифровой преобразователь и подключенный к его выходу блок управления, отображения и обработки информации, отличающийся тем, что он дополнительно содержит аналоговый сумматор, каждый вход которого соединен с выходом соответствующего широкополосного усилителя, блок вычисления координат центра тяжести, входы которого соединены с выходами широкополосных усилителей, подключенные к выходу аналогового сумматора, блок выделения сигнала сердечных сокращений и блок выделения сигналов дыхания, мультиплексор, аналоговые входы которого подключены к выходам блоков вычисления координат центра тяжести, выделения сигналов сердечных сокращений и выделения сигналов дыхания, программируемый усилитель, вход которого соединен с выходом мультиплексора, а выход с входом аналого-цифрового преобразователя, при этом выход аналогового сумматора через усилитель и инвертор соединен с шинами питания тензометрических преобразователей, а выходы блока управления, отображения и обработки информации соединены с входами управления блока вычисления координат центра тяжести, мультиплексора, программируемого усилителя и аналого-цифрового преобразователя, блок управления, отображения и обработки информации содержит последовательно соединенные персональную ЭВМ, интерфейс, однокристальную микроЭВМ и устройство ввода-вывода, входы и выходы которого являются входами и выходами блока управления, отображения и обработки информации. 2. Стабилограф по п. 1, отличающийся тем, что блок вычисления координат центра тяжести содержит для каждой координаты последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь и решающий усилитель, неинвертирующие входы решающего усилителя по координате Х подключены к входам блока, соответствующим опорам с положительными координатами по оси X, инвертирующие к входам блока, соответствующим опорам с отрицательными координатами по оси X, неинвертирующие входы решающего усилителя по координате Y подключены к входам блока, соответствующим опорам с положительными координатами по оси Y, инвертирующие к входам блока, соответствующим опорам с отрицательными координатами по оси Y, входы цифроаналоговых преобразователей являются управляющими входами блока, выходы решающих усилителей являются выходами блока. 3. Стабилограф по п. 1, отличающийся тем, что устройство ввода-вывода блока управления, отображения и обработки информации содержит шесть регистров хранения и два дешифратора и связано с однокристальной микроЭВМ шиной данных и адреса и шиной управления, при этом кодовые входы пяти регистров соединены с шиной данных и адреса, кодовые входы дешифраторов соединены с выходом первого регистра хранения, вход записи которого подключен к цепи записи адреса шины управления, вход строба первого дешифратора подключен к цепи записи данных шины управления, а выходы к соответствующим входам записи второго, третьего, четвертого и пятого регистров хранения, вход строба второго дешифратора подключен к цепи считывания шин управления, первый выход второго дешифратора является выходом блока управления, отображения и обработки информации, подключенным к входу "Преобразование" аналого-цифрового преобразователя, второй выход второго дешифратора соединен с входом "Считывание" шестого регистра хранения, кодовый вход которого является входом блока управления, отображения и обработки информации, соединенным с кодовым выходом аналого-цифрового преобразователя, выход шестого регистра хранения подключен к шине данных и адреса, выходы второго, третьего, четвертого и пятого регистров хранения являются выходами блока управления, отображения и обработки информации. 4. Стабилограф по п. 1, отличающийся тем, что блок выделения сигналов сердечных сокращений содержит последовательно соединенные фильтр нижних частот с частотой среза 2,8 3,0 Гц, усилитель и фильтр верхних частот с частотой среза 0,5 0,6 Гц. 5. Стабилограф по п. 1, отличающийся тем, что блок выделения сигналов дыхания содержит последовательно соединенные фильтр нижних частот с частотой среза 0,5 0,7 Гц, усилитель и фильтр верхних частот с частотой среза 0,08 - 0,1 Гц.