КАРДИОМОНИТОР КВАНТИЛЬНЫЙ Российский патент 1998 года по МПК A61B5/02 

Изобретение относится к медицинской технике, в частности, к приборам функциональной диагностики, используемой в кардиологии.

Известны различные аналоги устройств для измерения параметров сердечно-сосудистой деятельности пациентов и их статистической обработки. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому кардиомонитору является выбранный в качестве прототипа измеритель частоты пульса /1/, предназначенный для записи-хранения и сокращения избыточности информации, накапливаемой при длительной регистрации частоты сердечных сокращений (ЧСС) пациента путем вычисления квантильных оценок числовых характеристик распределения измеряемого параметра и расчета с их помощью статистических оценок математического ожидания и среднеквадратического отклонения (дисперсии) ЧСС. При этом определение фактических значений выборочных квантилей осуществляется с помощью построенных эмпирических гистограмм ЧСС.

Измеритель ЧСС-кардиомонитор содержит последовательно соединенные датчик электрокардиограммы, усилитель, формирователь прямоугольных импульсов, частотомер и стрелочный индикатор, к выходу частотомера подключен вход аналого-цифрового преобразователя, выполненного на двоичном счетчике, преобразователе код-напряжение, генераторе тактовых импульсов, элементе И и блоке сравнения, информационный вход которого является входом аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход подключен к выходу преобразователя код-напряжение, а его выход соединен с первым входом двоичного счетчика и первым входом элемента И, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход подключен ко второму входу двоичного счетчика, выходы которого являются выходами аналого-цифрового преобразователя и соединены со входами преобразователя код-напряжение и с информационными входами входного регистра данных, управляющий вход которого соединен с выходом задающего генератора, выход формирователя прямоугольных импульсов подключен к третьему входу двоичного счетчика через элемент задержки, выход генератора тактовых импульсов подключен к управляющему входу счетчика объема выборки, выход которого соединен с управляющим входом квантильного сумматора, а информационные выходы входного регистра данных подключены к счетному входу счетчика объема выборки и входам дешифратора, выход формирователя гистограмм соединен с информационным входом квантильного сумматора, первый выход которого подключен к информационному входу выходного регистра, управляющий вход которого подсоединен к первому выходу счетчика номера зоны гистограммы, а выходы выходного регистра подключены к входам микропроцессора, выполненного на соединенных последовательно преобразователе код-аналог, входы которого являются входами микропроцессора, суммирующем блоке и масштабном преобразователе, выход которого является выходом микропроцессора, который соединен через ручной переключатель с панорамным дисплеем.

Недостатком известного измерителя ЧСС является значительный объем оборудования, занимаемый формирователем гистограмм ЧСС, содержащим очень большое количество выходных двоичных счетчиков. В частности, формирователь гистограмм с 256-ю десятиразрядными выходными двоичными счетчиками имеет память информационной емкости в 2560 бит для запоминания только одной гистограммы из 1024 выборочных значений ЧСС / 1 /.

Целью изобретения является упрощение устройства путем сокращения памяти формирователя гистограмм за счет уменьшения объема оборудования измерителя ЧСС.

Поставленная цель достигается тем, что формирователь гистограмм кардиомонитора выполнен в виде двоичной рециркулирующей линии задержки, регистра гистограмм, блока управления и блока визуального контроля, при этом выходы дешифратора значений частоты сердечных сокращений соединены с информационными входами запоминающего регистра, управляющий вход которого подключен к выходу счетчика номера зоны, первый выход запоминающего регистра соединен с информационным входом двоичной рециркулирующей линии задержки и первым входом, блока управления, входящим в состав формирователя гистограмм, причем второй выход запоминающего устройства подключен ко входу схемы сравнения выборочных квантилей, выход которой соединен с третьим входом запоминающего регистра, при этом выход двоичной рециркулирующей линии задержки подключен к ее второму входу-третьему выходу запоминающего регистра и ко второму входу блока сравнения и счетному входу счетчика номера зоны, а сам выход двоичной рециркулирующей линии задержки соединен со входом регистра гистограммы, первый выход которого подключен к третьему входу блока управления, второй его выход соединен со входом квантильного сумматора и ручным переключателем панорамного дисплея, причем первый выход блока управления соединен с управляющим входом двоичной рециркулирующей линии задержки и вторым входом регистра гистограммы, а второй выход квантильного сумматора подключен к третьему входу регистра гистограммы, при этом третий выход двоичной рециркулирующей линии задержки соединен с седьмым входом блока управления, а первый выход запоминающего регистра соединен со счетчиком номера зоны транзитом через постоянное запоминающее устройство для хранения порядков выборочных квантилей, причем четвертый вход блока управления формирователя гистограмм подключен к выходу схемы сравнения выборочных квантилей, пятый вход блока управления соединен с выходом счетчика номера зоны, а его шестой вход подсоединен ко второму выходу квантильного сумматора, подключенному ко входу постоянного запоминающего устройства хранения порядков квантилей, информационный выход которого соединен с третьим входом квантильного сумматора, при этом первый вход блока визуального контроля формирователя гистограммы подключен к выходу двоичной рециркулирующей линии задержки, а второй его вход соединен со входом выходного регистра и выходом счетчика номера зоны гистограммы, подключенного также ко входу постоянного запоминающего устройства, второй выход которого подключен ко входу счетчика номера зоны, третий вход которого соединен с выходом задающего генератора, при чем первый выход запоминающего регистра подключен ко входу постоянного запоминающего устройства хранения порядков квантилей, а второй выход запоминающего регистра подключен ко входу схемы сравнения выборочных квантилей, выход которой соединен с третьим входом запоминающего регистра, при этом задающий генератор, счетчик номера зоны, схема сравнения выборочных квантилей и постоянное запоминающее устройство для хранения порядков выборочных квантилей входят в состав блока определения выборочных квантилей.

Двоичная рециркулирующая линия задержки имеет фиксированное число разрядов, которое разбивается на фиксированное число зон (поддиапазонов измерения контролируемого параметра ЧСС), отделяемых друг от друга специальными маркерами - двоичными (логическими) единицами. Для того чтобы построить гистограмму ЧСС необходимо иметь фиксированный объем выборки, равный в частном случае, 1024-м измерениям ЧСС или другого контролируемого параметра. ЧСС пропорциональна значениям временных интервалов между зубцами РР электрокардиограммы (ЭКГ). Теперь необходимо распределить эти 1024 измерения или выборочных значения ЧСС в зависимости от их фактической абсолютной величины по зонам формирователя гистгограмм, которых в двоичной рециркулирующей линии задержки кардиомонитора 255 штук. Сформированная гистограмма из 1024-х значений ЧСС фиксируется в регистре гистограмм и отображается на дисплее блока визуального контроля. При этом двоичная рециркулирующая линия задержки представляет собой 256 маркеров-двоичных логических единиц, меду которыми распределено 1024 двоичных логических нулей, соответствующих 1024 выборочным значениям измеряемого параметра пациента и помещенных в требуемый поддиапазон измерения в зависимости от их фактических величин. Информационная емкость такого формирователя гистограмм обладает в два раза меньшей памятью, занимая всего 1280 бит (1024 нуля плюс 256 единиц).

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый кардиомонитор отличается наличием новых блоков - двоичной рециркулирующей линии задержки, регистра гистограмм, блока управления, блока визуального контроля и их связями с новыми и известными элементами схемы кардиомонитора квантильного. Поэтому предлагаемый кардиомонитор соответствует критерию новизны.

Известны технические решения создания различных кардиомониторов / 1 /. Однако в известных кардиомониторах не обеспечивается формирование гистограмм с помощью двоичной рециркулирующей линии задержки, регистра гистограмм, блока управления и визуального блока контроля, что достигается в предлагаемом техническом решении. Это позволяет сделать вывод о его соответствии изобретения критерию существенных отличий.

На чертеже приведена функциональная блок-схема квантильного кардиомонитора.

Кардиомонитор квантильный содержит последовательно соединенные датчик 1 электрокардиограммы (ЭКГ), усилитель 2, формирователь 3 прямоугольных импульсов, частотомер 4 и стрелочный индикатор 5. К выходу частотомера 4 подключен вход аналого-цифрового преобразователя 6, выполненного на блоке сравнения 7, преобразователе код-напряжение 8, элементе И 9, двоичном счетчике 10 и генераторе тактовых импульсов II. Информационный вход блока сравнения 7 является входом аналого- цифрового преобразователя 6, управляющий вход подключен к выходу преобразователя код-напряжение 8, а его выход соединен с первым входом двоичного счетчика 10 и первым входом элемента И 9, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов 11, а выход подключен ко второму входу двоичного счетчика 10. Выходы двоичного счетчика 10 являются выходами аналого-цифрового преобразователя 6 и соединены со входами преобразователя код-напряжение 8 и с информационными входами входного регистра данных 12.

Выход формирователя прямоугольных импульсов 3 подключен к третьему входу двоичного счетчика 10 через элемент задержки 13, а управляющий вход входного регистра данных 12 соединен с выходом задающего генератора 14. Выход генератора 11 тактовых импульсов подключен к управляющему входу счетчика объема выборки 15, выход которого соединен с управляющим входом квантильного сумматора 16, а информационные выходы входного регистра данных 12 подключены к счетному входу счетчика объема выборки 15 и входам дешифратора 17. Выход формирователя гистограмм 18 соединен с информационным входом квантильного сумматора 16, первый выход которого подключен к информационному входу выходного регистра 19, управляющий вход которого подсоединен к первому выходу счетчика номера зоны 20 гистограммы, а выходы выходного регистра 19 подключены к входам микропроцессора 21, выполненного на соединенных последовательно преобразователе код-аналог 22, входы которого являются входами микропроцессора 21, суммирующем блоке 23 и масштабном преобразователе 24, выход которого является выходом микропроцессора 21, который соединен через ручной переключатель 25 с панорамным дисплеем 26. При этом выходы дешифратора 17 значений частоты сердечных сокращений соединены с информационными входами запоминающего регистра 27, управляющий вход которого подключен ко второму выходу счетчика 20 номера зоны.

Формирователь гистограмм 18 выполнен в виде двоичной рециркулирующей линии задержки 28, блока управления 29, блока визуального контроля 30 и регистра гистограмм 31.

Первый выход запоминающего регистра 27 соединен с информационным входом двоичной рециркулирующей линии задержки 28, который является входом формирователя гистограмм 18, подключенным к первому входу блока управления 29 и второму входу постоянного запоминающего устройства 32 хранения порядков квантилей, а через него транзитом с первым входом счетчика номера зоны 20 гистограммы, причем второй выход запоминающего регистра 27 подключен к первому входу схемы сравнения 33 выборочных квантилей, выход которой соединен с третьим входом запоминающего регистра 27, при этом информационный выход двоичной рециркулирующей линии задержки 28 подключен к ее второму входу- третьему выходу запоминающего регистра 27, второму входу блока управления 29, первому входу блока визуального контроля 30 и к счетному (второму) входу счетчика 20 номера зоны, а первый выход двоичной рециркулирующей линии задержки 28 соединен с первым входом регистра гистограммы 31, второй выход которого подключен к третьему входу блока управления ?9, первый выход регистра гистограмм 31, являющийся выходом формирователя гистограмм 18, соединен с первым входом квантильного сумматора 16 и ручным переключателем 25 панорамного дисплея 26, причем первый выход блока управления ?8 соединен с управляющих входом двоичной рециркулирующей линии задержки 28 и вторым входом регистра гистограммы 31, а второй выход квантильного сумматора 16 подключен к третьему входу регистра гистограммы 31, при этом второй выход двоичной рециркулирующей линии задержки 28 соединен с седьмым входом блока управления 29, причем четвертый вход блока управления 29 формирователя гистограмм 18 подключен к третьему выходу схемы сравнения 33 выборочных квантилей, пятый вход блока управления 29 соединен с третьим выходом счетчика 20 номера зоны, а его шестой вход подсоединен к третьему выходу квантильного сумматора 16, подключенному к третьему входу постоянного запоминающего устройства 32 хранения порядков квантилей, информационный выход которого соединен с третьим входом квантильного сумматора 16, при этом первый вход блока визуального контроля 30 формирователя гистограмм 18 подключен к информационному выходу двоичной рециркулирующей линии задержки 28, а второй его вход соединен со вторым входом выходного регистра 19 и первым выходом счетчика номера зоны 20 гистограммы, подключенного также к первому входу постоянного запоминающего устройства 32 хранения порядков квантилей, второй выход которого подключен к первому входу счетчика номера зоны 20, третий вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора 14, причем второй выход запоминающего регистра 27 подключен к первому входу схемы сравнения 33 выборочных квантилей, выход которой соединен с третьим входом запоминающего регистра 27, при этом задающий генератор 14, счетчик номера зоны 20, схема сравнения 33 выборочных квантилей и постоянное запоминающее устройство 32 для хранения порядков выборочных квантилей входят в состав блока определения выборочных квантилей 34, причем первый вход схемы сравнения 33 выборочных квантилей является входом блока определения выборочных квантилей 34, а первый выход счетчика номера зоны 20 является выходом блока определения выборочных квантилей 34.

Кардиомонитор квантильный работает следующим образом.

Сигнал ЭКГ с датчика 1 после требуемого усиления в усилителе 2 подается на формирователь прямоугольных импульсов, соответствующих КК-зубцам электрокардиограммы. Частотомер 4 преобразует частоту импульсов в соответствующий уровень напряжения, который индицируется стрелочным индикатором 5. Уровень напряжения с выхода частотомера 4 преобразуется в двоичный код в аналого-цифровом преобразователе 6 кардиомонитора. Изменяющееся опорное напряжение, которое сравнивается с кодируемым аналоговым напряжением ЧСС пациента, вырабатывается преобразователем код-напряжение 8, которым управляет двоичный счетчик 10. Аналоговое напряжение, пропорциональное величине интервала между RR-зубцами ЭКГ (T_RR), подается на информационный вход блока сравнения 7, а опорное изменяющееся напряжение с выхода преобразователя код-напряжение 8 поступает на управляющий вход блока сравнения 7. До тех пор пока не будет равенства этих двух напряжений, блок сравнения 7 держит открытым элемент И 9, через который проходят тактовые импульсы от генератора тактовых импульсов 11 к двоичному счетчику 10. По мере счета опорное напряжение, образуемое преобразователем код-напряжение 8, приближается к кодируемому уровню напряжения, и когда достигается равенство двух сравниваемых напряжений, элемент И 9 блокируется сигналом блока сравнения 7 и движение (счет) двоичного счетчика 10 прекращается. В этот момент с выходов двоичного счетчика 10 на входной регистр 12 данных по сигналу второго зубца R электрокардиограммы, задержанного элементом задержки 13 на время 0,05 с, считывается искомая кодовая комбинация, соответствующая аналоговому напряжению измеряемого параметра ЧСС пациента, равная первому временному интервалу между первым и вторым RR-зубцами ЭКГ. Конечно, прежде чем начать операцию кодирования аналоговых сигналов T_RR двоичную форму, двоичный счетчик 10 сбрасывается по сигналу первого зубца R ЭКГ на нуль для того, чтобы напряжение, образуемое преобразователем код-напряжение 8, которым управляет двоичный счетчик 10, соответствовало бы нулевому уровню аналогового напряжения T_RR. Линия сброса двоичного счетчика 10 на нуль по сигналу первого зубца R ЭКГ, считывания по сигналу второго зубца R ЭКГ и задержки элементом задержки 13 на время 0,05 с показана и обозначена на чертеже индексом "A". В итоге максимальный уровень аналогового напряжения сигнала ЧСС будет соответствовать максимальному уровню опорного напряжения преобразователя код-напряжение 3 и наоборот. При этом двоичный счетчик 10 считает число импульсов, пропорциональное времени, необходимому, чтобы переменное опорное напряжение, выдаваемое преобразователем код-напряжение 8 и контролируемое двоичным счетчиком 10, достигло уровня, определяемого преобразуемым аналоговым напряжением сигнала ЧСС. Очевидно, что величина шага изменяющегося опорного напряжения преобразователя код-напряжение 8 зависит от числа знаков в коде.

Теперь необходимо построить гистограмму T_RR, затем определить выборочные квантили и числа (количества) выборочных значений измеряемого параметра - N_i = N•P_i, соответствующих определенным величинам вычисленных выборочных квантилей измеряемого параметра T_RR, и, наконец, необходимо рассчитать статистические квантильные оценки математического ожидания и среднеквадратического отклонения (дисперсии) частоты сердечных сокращений пациента (по измеренным значениям T_RR и отобразить квантильную гистограмму на блоке визуального контроля 30 и всю полученную и рассчитанную информацию о пациенте на панорамном дисплее 26.

Для выполнения этой работы дешифратор 17 двоичных величин T_RR, получаемых с выхода входного регистра 12 данных, автоматически распределяет двоичную информацию по соответствующим своим выходам в зависимости от их числового значения и направляет двоичные выборочные значения измеряемого параметра в формирователь гистограмм 18, на входе которого работает запоминающий регистр 27 адреса. При этом входной регистр 12 данных хранит последнее показание двоичной величины Т_RR. до тех пор, пока на входе двоичной рециркулирующей линии задержки 28 не появится сигнал о том, что в этот момент значение соответствующей зоны гистограммы в этой линии задержки 28 увеличилось на один двоичный (логический) нуль, заменивший данное показание (отсчет-выборочное значение) двоичной величины T_RR.

При контроле за ЧСС пациента в диапазоне (38-200) удар/мин путем измерения значений временного интервала (0,3-1,58) с между RR-зубцами ЭКГ пациента, пропорциональных частоте сердечных сокращений, т.е. T_RR = 60/ЧСС, формирователь гистограмм 18 в предлагаемом кардиомониторе реализован с помощью дешифратора 17 выборочных двоичных значений T_RR, имеющего 8 входов и 256 выходов, функционально связанных с 256-ю маркерами-логическими единицами двоичной рециркулирующей линии задержки 28, которые и образуют 255 зон (или столбцов в обычной гистограмме) формирователя гистограмм 18. Поэтому дешифратор 17 величин T_RR распределяет двоичную информацию о значениях временного интервала между RR-зубцами ЭКГ пациента по соответствующим зонам, направляя ее через запоминающий регистр 27 в формирователь гистограмм 18, представляющий собой рециркулирующее, запоминающее и индицирующее устройство в виде гистограмм T_RR двоичной формы.

Выборочные квантили Z_pi порядка P_i измеряемого параметра Т_RR представляют собой фактически выбранные по определенному закону номера зон гистограмм формирователя 18 или значения вариационного ряда эмпирического распределения измеряемого параметра, в случае когда все выборочные значения выборки (отсчеты) распределены слева-направо по возрастающей величине. Каждой зоне гистограммы, а их всего 255, заранее присвоена определенная величина поддиапазона измерения контролируемого параметра пациента. В частности, для того чтобы определить или выделить первую выборочную квантиль Z_i(0,1067) порядка P_i = 0,1067 первой выборки значений измеряемой величины объемом в N = 1024 компонент (выборочных значений), необходимо сначала определить число выборочных значений T_RR), которому будет соответствовать первая выборочная квантиль. Для этого порядок выборочного квантиля P_i умножается на величинуы объема N выборки : N₁ = P₁•N = 0.1067•1024 = 109,26, т.е., округляя, получаем 109 компонент выборки из всего М, находящихся левее первой выборочной квантили. Теперь для определения величины первой выборочной квантили необходимо просуммировать показания всех зон регистра гистограммы 31 слева-направо, т.е. сложить количество всех двоичных (логических) нулей в каждой зоне гистограммы, до тех пор, пока сумма не станет равной или большей числа N₁ = 109 выборочных значений T_RR. Та зона гистограммы, которая соответствует этой сумме 109 компонент или более, и будет первой выборочной квантилью, а каждая зона гистограммы - это фиксированная величина поддиапазона измерения контролируемого параметра. Поэтому, если такой зоной будет поддиапазон (0,305-0,310) с, то первая выборочная квантиль будет равна величине начала поддиапазона - 0,305 с.

Таким образом, каждая зона гистограммы, представляющая собой одну выборочную квантиль из 255 квантилей, соответствует конкретному, заранее назначенному поддиапазону измеряемой величины T_RR: первая зона (слева-направо), отделяемая первым и вторым маркерами-единицами двоичной рециркулирующей линии задержки 28, подсчитывает или запоминает число выборочных значений T_RR принадлежащих первому поддиапазону (0,3-0,305) с; вторая зона гистограммы двоичной рециркулирующей линии задержки 28 и регистра гистограмм 31, отделяемая вторым и третьим маркерами-единицами двоичной рециркулирующей линии задержки 28, запоминает и подсчитывает число выборочных значений T_RR, принадлежащих второму поддиапазону измерения или второй выборочной квантили- (0,305-0,310) с и т.д., наконец, 255 зона гистограммы и двоичной линии задержки 28, отделяемая 255-м и 256-м маркерами-единицами, фиксирует общее число (количество) выборочных значений измеряемого параметра последнего 255-го поддиапазона измерения (1,575-1,580) с.

Каждому выборочному значению T_RR, попадаемому в первый поддиапазон (0,3-0,305) с, соответствует определенная кодовая восьмиразрядная комбинация, состоящая из восьми разрядов двоичного кода, а именно кодовая комбинация 00000000. Общее число таких комбинаций, проходящих через дешифратор 17 за время одной выборки объемом 1024 компоненты, запоминается только первой зоной двоичной рециркулирующей линии задержки 28 путем помещения в нее соответствующего числа двоичных логических нулей, т.е. столбец обычной гистограммы как бы вытягивается по горизонтали, а не по вертикали. Каждому выборочному значению второго поддиапазона T_RR (0,305-0,310) с всегда соответствует одна и та же кодовая комбинация 00 000 001, общее количество которых за время одной выборки объемом 1024 компоненты фиксируется только второй зоной линии задержки 28 также в виде.двоичных логических нулей, например, если было 12 кодовых комбинаций 00 000 001, то во второй зоне к концу формирования всей гистограммы окажется также 12 двоичных нулей.

Аналогично число возможных кодовых комбинаций 11 111 111, соответствующих выборочным значениям 255-го поддиапазона измерений, запоминается 255-й зоной двоичной рециркулирующей линии задержки 28, т.е. каждый выход дешифратора 17 входных данных, а их у него 255, работает на свою, персональную зону двоичной линии задержки 28. При этом для запоминания одной гистограммы измеряемого параметра требуется иметь память двоичной рециркулирующей линии задержки 28, рассчитанную на 1280 бит, а именно 1024 нуля плюс 256 единиц-маркеров: 256 единиц для обозначения 255 зон гистограммы и 1024 двоичных нуля рециркулирующей линии задержки 28 для фиксации всех выборочных значений выборки. В устройстве-прототипе для запоминания одной гистограммы того же объема 1024 компоненты требовалась память гистографа в 2560 бит для распределения 1024 восьмиразрядных выборочных значений T_RR по 256 выходным двоичным десятиразрядным счетчикам, т.е. в прототипе требовалась память в два раза больше для фиксации одной гистограммы по сравнению с предлагаемым кардиомонитором. Таким образом, предлагаемый формирователь гистограмм 18, собранный на базе двоичной рециркулирующей линии задержки 28, блоке управления 29, блоке визуального контроля 30 и регистре гистограмм 31, дает выигрыш в требуемой памяти для фиксации каждой гистограмм измеряемого параметра пациента в два раза.

Итак, после того, как только сформировалась первая гистограмма, счетчик объема выборки 15, фиксирующий общее число выборочных значений измеряемого параметра-1024 для формирования одной гистограммы, выдает команду через квантильный сумматор 16 и блок управления 29 в двоичную рециркулирующую линию задержки (ДРЛЗ) 28 на перезапись готовой гистограммы T_RR в регистр гистограммы 31 и команду для начала работы квантильного сумматора 16 по определению выборочных квантилей. При этом счетчик объема выборки 15 автоматически возвращается в исходное (нулевое) значение, подготавливаясь для подсчета числа компонент следующей выборки выборочных значений измеряемого параметра.

Организация сдвига двоичной информации в двоичной рециркулирующей линии задержки 28 осуществляется с помощью блока управления 29, который вызывает смещение всех оставшихся цифр (нулей и единиц) ДРЛЗ 28 вправо на величину одного двоичного логического нуля и последующую их задержку, после прохода требуемого маркера ДРЛЗ 28. Этот процесс повторяется последовательно 1024 раза, выбирая с конца ДРЛЗ 28 "свободные" нули и распределяя их между маркерами-единицами в соответствии с тем, какие фактические величины имеют выборочные значения T_RR. Счетчик номера зоны 20 гистограммы фактически нумерует соответствующие зоны в ДРЛЗ 28 и регистре гистограмм 31, а квантильный сумматор 16 подсчитывает число двоичных нулей в каждой зоне ДРЛЗ 28, начиная с первой зоны, затем прибавляет к сумме нулей первой зоны логические нули второй зоны и т.д. до тех пор, пока со схемы сравнения 33 выборочных квантилей не придет команда транзитом через блок постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) хранения порядков квантилей 32, на остановку работы квантильного сумматора 16. Таким образом, последний суммирует показания зон гистограммы слева-направо и одновременно сравнивает их с записанными в блоке ПЗУ 32 порядками квантилей, умноженными на объем выборки, равный 1024 компонентам, т.е. с установленными заранее числами-количествами выборочных значений T_RR, соответствующих требуемым выборочным квантилям. Регистр гистограммы 31-это регистр, последовательно накапливающий показания зон ДРЛЗ 28, которые и подсчитывает квантильный сумматор 16, начиная с первой зоны, до тех пор, пока результирующая величина квантильного сумматора 16 не станет равной или большей числа N₁ выборочных значений T_RR, хранящегося в блоке ПЗУ 32 порядка P₁ первой квантили Z_p1. В момент этого совпадения схема сравнения 33 квантилей, в блоке ПЗУ 32 которой постоянно находятся заранее введенные числа выборочных значений N_i = N•P_i, где i-1,2,3,4,..., выдает команду на прекращение работы счетчика номера зоны 20 и квантильного сумматора 16 через счетчик номера зоны 20 и блок ПЗУ 32 транзитом.

В результате этого номер зоны регистра гистограммы 31 (номер зоны ДРЛЗ 28 и номер поддиапазона измерений T_RR, зарегистрированный счетчиком номера зоны 20 гистограммы в первый момент совпадения показания квантильного сумматора 16 и показания схемы сравнения 33 квантилей, представляет собой первую выборочную квантиль Z_p1 величины T_RR, которую требовалось определить. По той же команде схемы сравнения 33 квантилей квантильный сумматор 16 выдает в выходной регистр 19 фактическое число N₁ зарегистрированных формирователем гистограмм 18 выборочных значений T_RR, соответствующих первой выборочной квантили, а счетчик номера зоны 20 по этой же команде схемы сравнения 33 квантилей выдает в выходной регистр 19 выявленный или определенный номер зоны гистограммы, т.е. фактическое значение величины измеряемого параметра, соответствующее первой выборочной квантили Z₁ порядка P₁=0,1067.

Выходной регистр 19 используется в качестве буферной памяти для запоминания величин выборочных квантилей и соответствующих им чисел выборочных значений T_RR фактически зарегистрированных формирователем гистограмм 18 и каждый раз отличающихся от чисел, находящихся в памяти блока ПЗУ 32 хранения порядков квантилей.

Аналогичная работа кардиомонитора осуществляется при выделении второй, третьей и четвертой выборочной квантили. Для расчета статистической оценки математического ожидания ЧСС используется всего четыре выборочных квантилей одних порядков, а для расчета статистической оценки среднеквадратического отклонения ЧСС выбирается также четыре квантиля, но других порядков. Количество порядков квантилей и чисел выборочных значений T_RR, хранимых в блоке ПЗУ 32 порядков квантилей и используемых в схеме сравнения 33, и число моментов совпадений при работе квантильного сумматора 16 зависят от требуемой точности или эффективности квантильных статистических оценок числовых характеристик распределений измеряемых физиологических параметров, вычисляемых с помощью линейных комбинаций выборочных квантилей /2/. При настройке кардиомонитора в блоке ПЗУ 32 фиксируется число (от 2 до 20) выборочных квантилей, а в масштабном преобразователе 24 микропроцессора 21 значения коэффициентов их линейных комбинаций, по которым рассчитываются с заданной точностью, указанной в работе /2/, квантильные статистические оценки математического ожидания и среднеквадратического отклонения (дисперсии) ЧСС или других измеряемых параметров. В данном примере рассматривается случай использования линейных комбинаций четырех выборочных квантилей.

С выходного регистра 19 информация о величинах выборочных квантилей и фактических числах выборочных значений T_RR, соответствующих своим выборочным квантилям, поступает на вход преобразователя код-аналог 22 микропроцессора 21 для дальнейшей математической обработки, а именно для вычисления квантильных статистических оценок математического ожидания и среднеквадратического отклонения (дисперсии) ЧСС по следующим линейным комбинациям четырех выборочных квантилей /2/:
M_квант = 0,1919(Z(0,1067)+Z(0,9833)+0,3081(Z(0,3512)+Z(0,6489)).

СКО_квант = 0,1154(Z(0,9770)-Z(0,0230)+0,2364(Z(0,8731)-Z(0,1269)).

Суммирующий блок 23 вместе с масштабным преобразователем 24 микропроцессора 21 осуществляют сложение и вычитание значений выборочных квантилей на указанные в формулах / 2 / коэффициенты для расчета М_{квантильн} и СКО_{квантильн} измеряемого параметра ЧСС. При этом суммирующий блок 23 состоит из типового операционного усилителя постоянного тока с большим коэффициентом усиления. Блок управления 29 формирователя гистограмм 18 собран на микросхеме типа К588 ВТ2 - контроллере прямого доступа и памяти двоичной рециркулирующей линии задержки 28, структурная схема и электрические характеристики которого приведены в журналах "Микропроцессорные средства и системы", 1987. N1 , -С. 6-7 и N1, 1988.-С. 13-17.

Алгоритм работы блока управления 29 и блока определения выборочных квантилей 34 кардиомонитора состоит в следующем:
1. Подача управляющего сигнала блока управления 29 на пересинхронизацию ДРЛЗ 28 - подготовку к формированию гистограммы ЧСС.

2. Пересинхронизация ДРЛЗ 28 - формирование исходной последовательности единиц-маркеров зон гистограммы и нулей-отсчетов измерений ЧСС, т.е. их группировка последовательно друг за другом в виде следующей последовательности: 111...111 (256 двоичных единиц) 000...000(1024 двоичных нуля).

3. Формирование гистограммы ЧСС объемом 1024 компоненты путем распределения 1024 нуля исходного состояния ДРЛЗ 28 между 256 единицами-маркерами зон-поддиапазонов измерений ЧСС.

3.1. Выдача дешифратором 17 первого отсчета T_RRи сохранение его запоминающим регистром 27 до тех пор, пока первый двоичный нуль не переместиться в требуемую зону ДРЛЗ 28.

3.2. Выдача дешифратором 17 второго отсчета измеряемого параметра и сохранение его величины в памяти запоминающего регистра 27 до тех пор, пока второй нуль из числа 1024 нулей не перейдет в требуемую зону ДРЛЗ 28 в зависимости от значения абсолютной двоичной величины T_RR.

3.1024. Выдача дешифратором 17 1024-го отсчета T_RR сохранение его величины в памяти запоминающего регистра 27 до тех пор, пока 1024-й нуль не переместится из исходного положения в нужную зону двоичной рециркулирующей линии задержки 28-требуемый поддиапазон измерения параметра T_RR.

4. Конец формирования первой гистограммы ЧСС пациента.

5. Начало работы квантильного механизма кардиомонитора-блока определения выборочных квантилей.

6. Вычисление количественных значений выборочных квантилей для подсчета квантильной оценки математического ожидания T_RR.

6.1. Определение величины первой выборочной квантили Z_p1=Z(0,1067) для подсчета оценки M_Trr.

6.2. Суммирование квантильным сумматором 16 числа нулей, находящихся в зонах гистограммы слева-направо, по часовой стрелке, начиная с первой зоны гистограммы.

6.3. Сравнение схемой сравнения 33 выборочных квантилей показаний квантильного сумматора 16 с заданным и хранящимся в памяти ПЗУ 32 числом, находящимся левее первой квантили выборочных значений N₁=109, которое зависит от величины порядка первой квантили, и определение номера зоны гистограммы в момент совпадения или превышения показания квантильного сумматора 16 с этим (109) числом.

6.4. Аналогичное определение величин второй, третьей и четвертой квантилей для подсчета оценки математического ожидания ЧСС.

7. Вычисление квантильной оценки математического ожидания ЧСС. Например, если сумма первой и четвертой квантили равна 1,875 с, то, умножив на первый коэффициент 0,1919, получим величину 0,38 с-первую половину формулы M_квант 0,3081(Z_p3+Z_p2). Вторую часть формулы вычисляем так же, как и первую часть. В случае, если вторая часть формулы равна 0,40 с, то квантильная оценка математического ожидания T_RR равна M_{кван тильная}= 0,38 с + 0,40 с = 0,78 с.

8. Вычисление выборочных квантилей порядков Z(0,0230), Z(0,1269), Z(0,8731), Z(0,9770) для определения квантильной оценки среднеквадратического отклонения и дисперсии ЧСС по T_RR.

9. Определение микропроцессором 21 квантильной оценки среднеквадратического отклонения длительности (или частоты) сердечных сокращений пациента по формулам : СКО = 0,1154(Z_p4-Z_p1+0,2364(Z_p3-Z_p2); Дисперсия T_RR = СКО²; T_ЧСС = 60/ЧСС.

Для пояснения работы квантильного кардиомонитора необходимо отметить, что главные тактовые импульсы, вырабатываемые генератором импульсов 11, определяют скорость работы кардиомонитора путем разделения времени на равные промежутки. В течение каждого такого промежутка времени в кардиомониторе квантиль ном может быть выполнено одно действие или представлена одна двоичная единица информации. Вся временная сетка основана на главных тактовых импульсах. Так, для подсчета фиксированного (1024 компонент) объема выборки при формировании гистограмм необходимы еще дополнительные тактовые импульсы, а именно импульсы десятичных разрядов и импульсы начала и конца слова, которые выделяются из главных тактовых импульсов. Импульсы десятичных разрядов делят последовательность главных тактовых импульсов на группы так, что каждая группа соответствует одному десятичному разряду. В нашем случае на восемь главных тактовых импульсов (восемь двоичных разрядов, поступающих с выхода входного регистра 12 данных) приходится один импульс десятичного разряда. Промежуток времени между двумя соседними импульсами десятичных разрядов является временем одного десятичного разряда. Первый двоичный разряд в десятичном есть разряд единиц, второй-разряд двоек, третий-разряд четверок, четвертый-разряд восьмерок и т.д., а девятый разряд является контрольным.

Аналогично этому импульсы слов тоже делят импульсы десятичных разрядов на группы так, что каждая группа соответствует данному слову. Для нашего слова между соседними импульсами укладывается 1024 времен десятичных разрядов, т. е. время одного слова-одной гистограммы составляет 1024•8 = 8192 (двоичных разряда) или каждый 8191-й главный тактовый импульс есть импульс слова, а каждый восьмой главный тактовый импульс есть импульс десятичного разряда. Таким образом, для выделения импульсов слова и импульсов десятичных разрядов использован счетчик объема выборки 15 в виде кольцевого счетчика с основанием 8192 двоичных разряда. С целью экономии оборудования кардиомонитора целесообразно также было применить счетчик объема выборки с основанием 8192 путем использования первого счетчика с основанием 8-м, считающим двоичные разряды в десятичном, выход импульсов десятичного разряда которого соединен со входом второго счетчика с основанием 1024, считающим десятичные разряды в слове и выделяющим на свой выход импульсы слова. Импульсы слова счетчика 15 объема выборки запускают в работу квантильный сумматор 16 и возвращают счетчик объема выборки 15 в исходное положение (обнуляют его).

Задающий генератор 14 вырабатывает тактовые импульсы для управления счетчиком номера зоны 20 гистограммы, который выполнен в виде кольцевого счетчика с основанием 2048 двоичных разрядов (256•8), путем соединения выхода счетчика с основанием 8 со входом счетчика с основанием 256. Таким образом, у счетчика номера зоны 20 гистограммы выходные импульсы десятичного разряда поступают на второй (управляющий) вход запоминающего регистра 27 для сравнения с величиной входного сигнала T_RR и транзитом через запоминающий регистр 27 на второй вход блока управления 29 и на второй информационный вход ДРЛЗ 28, а выходные импульсы слова счетчика номера зоны 20 подаются на пятый вход блока управления 29 для синхронизации ДРЛЗ 28. При этом сформированная гистограмма с выхода регистра гистограмм 31 поступает на третий вход блока управления 29 и через информационный выход ДРЛЗ 28 подается на вход блока визуального контроля 30 для просмотра самой гистограммы. Этим же сигналом блок управления 29 возвращается в исходное состояние. Маркеры с выхода ДРЛЗ 28 во время ее рециркуляции поступают на вход счетчика номера зоны 20 и с его выхода на пятый вход блока управления 29. Четвертый вход блока управления 29 соединен с третьим выходом схемы сравнения 33 выборочных квантилей и используется при выделении выборочных квантилей. При этом блок ПЗУ 32 хранит порядки квантилей, указанные в формуле для случая четырех выборочных квантилей и используется для определения фактических значений выборочных квантилей этих порядков.

Генератор тактовых импульсов 11 служит для задания и изменения интервала времени работы счетчика объема выборки 15 во время формирования гистограмм, задающий генератор 14 предназначен для управления входным регистром 12 данных и счетчиком номера зоны 20 гистограммы. С выхода выходного регистра 19 двоичные значения T_RR подаются на вход преобразователя код-аналог для преобразования в аналоговые величины. Суммирующий блок 23 микропроцессора 21 участвует в вычислении квантильных статистических оценок математического ожидания и среднеквадратического отклонения измеряемого параметра.

Таким образом, на выходе кардиомонитора индицируются значения ЧСС, выборочных квантилей ЧСС, квантильные оценки M_квант и CKO_квант ЧСС, обычные и квантильные гистограммы ЧСС, а сам кардиомонитор квантильный предназначен для функциональной диагностики и контроля состояния сердечно-сосудистой системы пациентов по этим выходным данным. Аналогичный контроль может быть осуществлен за частотой дыхания, температурой тела и других показателей пациента.

Итак, кардиомонитор квантильный позволяет сократить в два раза память формирователя гистограмм 18, сокращая при этом избыточность кардиологической информации более, чем в 250 раз по сравнению с использованием всей выборки, и производит статистическую оценку графического и цифрового отображения эмпирических распределений гистограмм измеряемых физиологических параметров пациентов непрерывно в течение нескольких суток с использованием выборочных квантилей, повышая оперативность диагностики и контроля функционального состояния пациентов.

Источники информации:
1. Кардиомониторы. Аппаратура непрерывного контроля ЭКГ//Под ред. Барановского А.Л. и Немирко А.П. М.: Радио и связь 1993, с. 75-83.

2. А. М.Литвинов. Оптимальные квантильные оценки числовых характеристик случайных величин. Сб "Автоматизация экспериментальных исследований", вып. 8. Куйбышевский авиационный институт им. С. П. Королева.-Куйбышев; 1975, с. 74-82.

3. А. М. Литвинов, В.М.Норбутас. Авторское свидетельство СССР N 736953 от 7 февраля 1980 г. "Измеритель частоты пульса" (прототип).

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к диагностическим мониторам, используемым в кардиологии. Цель изобретения - упрощение кардиомонитора за счет уменьшения объема оборудования - достигается тем, что кардиомонитор квантильный содержит измеритель частоты сердечных сокращений, аналого-цифровой преобразователь, входной регистр, запоминающий регистр, дешифратор и формирователь гистограмм, выполненный на базе двоичной рециркулирующей линии задержки, регистра гистограммы, блока управления и блока визуального контроля. Квантильный сумматор кардиомонитора соединен со схемой сравнения выборочных квантилей и через последовательно соединенные выходной регистр, микропроцессор и ручной переключатель подключен к понарамному дисплею. Счетчик объема выборки соединен с дешифратором и квантильным сумматором. Блок определения квантилей содержит задающий генератор, схему сравнения квантилей, счетчик номера зоны гистограммы и постоянное запоминающее устройство для хранения порядков квантилей, причем задающий генератор соединен со счетчиком номера зоны гистограммы и входным регистром. Запоминающий регистр соединен с двоичной рециркулирующей линией задержки, блоком управления и подключен к схеме сравнения квантилей, выход которой соединен с запоминающим регистром. Выход двоичной рециркулирующей линии задержки подключен к ее второму входу, блоку управления, счетчику номера зоны и входу регистра гистограммы, второй выход которого подключен к третьему входу блока управления, а первый его выход соединен со входом квантильного сумматора и ручным переключателем панорамного дисплея. Блок управления подключен к схеме сравнения квантилей, счетчику номера зоны и второму выходу квантильного сумматора. Блок визуального контроля соединен с выходом двоичной рециркулирующей линии задержки, вторыми входами счетчика номера зоны гистограммы и блока управления, а его второй вход подключен к первому выходу счетчика номера зоны и второму входу выходного регистра кардиомонитора. 1 ил.

Кардиомонитор квантильный, содержащий последовательно соединенные датчик электрокардиограммы, усилитель, формирователь прямоугольных импульсов, частотомер и стрелочный индикатор, к выходу частотомера подключен вход аналого-цифрового преобразователя, выполненного на двоичном счетчике, преобразователя код-напряжение, генераторе тактовых импульсов, элементе И и блоке сравнения, первый информационный вход которого является входом аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход блока сравнения подключен к выходу преобразователя код-напряжение, а его выход соединен с первым входом двоичного счетчика и первым входом элемента И, второй вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход подключен ко второму входу двичного счетчика, выходы которого являются выходами аналого-цифрового преобразователя и соединены со входами преобразователя код-напряжение и с информационными входами входного регистра данных, второй управляющий вход которого соединен с выходом задающего генератора, выход формирователя прямоугольных импульсов подключен к третьему входу двоичного счетчика через элемент задержки, выход генератора тактовых импульсов подключен к управляющему входу счетчика объема выборки, выход которого соединен с первым управляющим входом квантильного сумматора, а информационные выходы входного регистра данных подключены к счетному входу счетчика объема выборки и входами дешифратора, выход формирователя гистограмм соединен со вторым входом квантильного сумматора, первый выход которого подключен к первому входу выходного регистра, второй вход которого подсоединен к первому выходу счетчика номера зоны гистограммы, а выход выходного регистра подключен ко входу микропроцессора, выполненного на соединенных последовательно преобразователе код-аналог, вход которого является входом микропроцессора, суммирующем блоке и масштабном преобразователе, выход которого является выходом микропроцессора, который соединен через ручной переключатель с панорамным дисплеем, отличающийся тем, что формирователь гистограмм выполнен в виде двоичной рециркулирующей линии задержки, блока управления, блока визуального контроля и регистра гистограмм, при этом выходы дешифратора соединены с первым входом запоминающего регистра, второй вход которого подключен ко второму выходу счетчика номера зоны гистограммы, первый выход запоминающего регистра соединен с первым информационным входом двоичной рециркулирующей линии задержки, который является входом формирователя гистограмм, подключенного к первому входу блока управления и второму входу постоянного запоминающего устройства хранения порядков квантилей, причем второй выход запоминающего регистра подключен к первому входу схемы сравнения выборочных квантилей, первый выход которой соединен с третьим входом запоминающего регистра, при этом первый выход двоичной рециркулирующей линии задержки подключен к ее второму входу и третьему выходу запоминающего регистра, второму входу блока управления, первому входу блока визуального контроля и ко второму счетному входу счетчика номера зоны гистограммы, а первый выход двоичной рециркулирующей линии задержки соединен с первым входом регистра гистограммы, второй выход которого подключен к третьему входу блоков управления, первый выход регистра гистограмм, являющийся выходом формирователя гистограмм, соединен со вторым входом квантильного сумматора и ручным переключателем панорамного дисплея, причем первый выход блока управления соединен с третьим управляющим входом двоичной рециркулирующей линии задержки и вторым входом регистра гистограммы, а второй выход квантильного сумматора подключен к третьему входу регистра гистограммы, при этом второй выход двоичной рециркулирующей линии задержки соединен с седьмым входом блока управления, причем четвертый вход блока управления формирователя гистограмм подключен к третьему выходу схемы сравнения выборочных квантилей, пятый вход блока управления соединен с третьим выходом счетчика номера зоны гистограммы, а его шестой вход подсоединен к третьему выходу квантильного сумматора, подключенному к третьему входу постоянного запоминающего устройства хранения порядков квантилей, первый выход которого соединен с третьим входом квантильного сумматора, при этом второй вход блока визуального контроля формирователя гистограмм соединен со вторым входом выходного регистра, подключенного также к первому входу постоянного запоминающего устройства хранения порядков квантилей, второй выход которого подключен к первому входу счетчика номера зоны, третий вход которого соединен со вторым выходом задающего генератора, причем первый выход схемы сравнения выборочных квантилей подключен к первому входу счетчика номера зоны и третьему входу квантильного сумматора, а второй выход счетчика номера зоны соединен со вторым входом схемы сравнения выборочных квантилей.