Имитатор кардиосигнала Российский патент 2024 года по МПК A61B5/319 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к технике медицинского приборостроения и предназначено для генерирования образцов кардиосигнала при различных состояниях сердечной мышцы в учебном тренажере.

Уровень техники

Имитаторы кардиосигнала, способные воспроизводить электрические колебания, сопровождающие сердечную деятельность (кардиограммы), находят применение в медицинских тренажерах для обучения студентов медико-технического направления подготовки, а также используются для оценки работоспособности электрокардиографов. Схемотехника таких устройств сочетает аналоговые и цифровые способы формирования электрических колебаний.

Принцип действия аналоговых имитаторов кардиосигнала, построенных полностью на дискретных элементах [1-3], основан на параметрическом синтезе формы сигнала, они отличаются сложностью структуры, требуют многочисленных регулировок, не обеспечивают достаточной точности воспроизведения формы кардиоимпульсов. Функциональные возможности аналоговых устройств ограничены ввиду невозможности воспроизведения множества сигналограмм, характерных для различных состояний сердечной мышцы.

В цифровых устройствах для генерирования кардиосигналов оцифрованные их образцы хранятся в постоянном запоминающем устройстве, а для образования электрической кардиограммы используется цифро-аналоговый преобразователь в процессе перебора адресов его ячеек памяти.

Так, в одном из аналогов заявляемого устройства [4, 5], предназначенном для метрологической поверки и диагностирования неисправностей электрокардиоаппаратуры, достигается высокая точность моделирования сигналов, в нем генератор тестовых сигналов с соответствующим блоком их обработки дополнен экспертной системой. Функциональные узлы устройства работают под управлением персонального компьютера.

Известен также имитатор электрокардиосигнала для поверки интерпретирующих электрокардиографов [6], включающий персональный компьютер, связанный посредством микросхемы интерфейса USB с последовательно соединенным микроконтроллером, постоянным запоминающим устройством, цифро-аналоговым преобразователем, фильтром нижних частот и программно управляемым аттенюатором.

Общим недостатком названных аналогов является необходимость в управляющем персональном компьютере, что не позволяет применять их в мобильном автономном учебном тренажере.

Аналогом настоящего изобретения является также имитатор электрокардиосигнала по авторскому свидетельству СССР №1253624 [7], содержащий генератор импульсов, делитель частоты со счетчиком импульсов и блок формирования электрокардиосигнала, выполненный в виде последовательно соединенных блока памяти и цифро-аналогового преобразователя. Функциональные возможности имитатора расширены благодаря введению в него генератора случайных чисел с целью имитации мерцательной аритмии. Однако, структура данного аналога сложна, и она не рассчитана на формирование множества кардиограмм в патологических состояниях пациента.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является базовая схема генератора стандартных кардиосигналов, описанная в учебном пособии Р.А. Рафикова «Биоэлектричество и медицинская электроника» [8]. Устройство-прототип состоит из последовательно соединенных тактового генератора, счетчика импульсов, нескольких постоянных запоминающих устройств, каждое из которых хранит цифровой образ одной кардиограммы, цифро-аналогового преобразователя и фильтра нижних частот. Для выбора рабочего в данном режиме постоянного запоминающего устройства предусмотрен блок управления в виде клавиатуры. Очевидным дополнением данного устройства является включение на его выходе пассивного аттенюатора для понижения амплитуды сигнала до величин, снимаемых электродами кардиографа. Множество постоянных запоминающих устройств без изменения структуры для ее упрощения может быть замещено единственным постоянным запоминающим устройством большей емкости.

Недостаток устройства-прототипа заключается в низкой точности генерируемого кардиосигнала из-за возможного смещения базовой линии кардиограммы под воздействием дестабилизирующих факторов.

Раскрытие сущности изобретения

Целью настоящего изобретения является повышение точности формирования кардиограммы благодаря стабилизации ее базовой линии на заданном уровне.

Указанная цель достигается введением в имитатор кардиосигнала, содержащий последовательно соединенные тактовый генератор, счетчик импульсов, постоянное запоминающее устройство, старшие адресные входы которого соединены с цифровым выходом блока управления, цифро-аналоговый преобразователь и выходной аттенюатор, дополнительных функциональных узлов, отвечающих за стабилизацию базовой линии кардиосигнала на заданном уровне - цифрового компаратора, аналогового компаратора, триггера с логическим вентилем, усредняющего фильтра и узла суммирования. При этом цифровой компаратор одним многоразрядным входом соединен с выходом постоянного запоминающего устройства, другим многоразрядным входом - с шиной опорного цифрового слова, а выходом посредством логического вентиля, оставшийся вход которого связан с выходом тактового генератора, подключен к синхронизирующему входу триггера. Выход триггера, информационный вход которого присоединен к выходу аналогового компаратора, через усредняющий фильтр подключен к одному входу узла суммирования, другой вход которого соединен с выходом цифро-аналогового преобразователя, а выход - с первым входом аналогового компаратора и выходным аттенюатором. Второй вход аналогового компаратора присоединен к шине операционного «нуля».

Аналоговый компаратор непрерывно сравнивает уровень выходного напряжения с уровнем операционного «нуля» и передает результат сравнения на информационный вход триггера. Триггер фиксирует этот результат только в те моменты, когда цифровой компаратор выдает сигнал разрешения на прохождение тактового импульса через логический вентиль, эти моменты соответствуют достижению цифровым словом постоянного запоминающего устройства значения, соответствующего числу, установленному на шине опорного цифрового слова, равного базовой линии цифрового образа кардиосигнала в постоянном запоминающем устройстве. Широтно-модулированные импульсы с выхода триггера преобразуются усредняющим фильтром в квазипостоянное напряжение, которое, добавляясь к сигналу с выхода цифро-аналогового преобразователя, корректирует базовую линию сигнала, устанавливая ее близкой к нулевому уровню.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена функциональная электрическая схема имитатора кардиосигнала в соответствии с настоящим изобретением.

Осуществление изобретения

Представленная на фиг. 1 функциональная схема имитатора кардиосигнала содержит тактовый генератор 1, выходом подключенный к k-разрядному двоичному счетчику 2 импульсов и одному из входов логического вентиля И 3. Цифровой k-разрядный выход счетчика 2 импульсов подключен к младшим k адресным входам постоянного запоминающего устройства 4, у которого старшие m адресных входов соединены с блоком 5 управления, в качестве которого может использоваться клавиатура с шифратором.

Постоянное запоминающее устройство 4 с организацией 2^k+m × n бит (k+m - число ячеек памяти, n - их разрядность) хранит предварительно подготовленные цифровые данные о 2^m кардиограммах в норме и при патологиях, каждая из которых представлена 2^k отсчетами в виде n-разрядных двоичных чисел, приведенных к шкале от 0 до (2ⁿ-1). Базовой (нулевой) линии кардиограмм соответствует центр шкалы 2^n-1, таким образом все отсчеты суть положительные числа.

Цифровой выход постоянного запоминающего устройства 4 подключен к цифровому входу цифро-аналогового преобразователя 6 и одному из входов цифрового компаратора 7, другим своим входом соединенного с шиной 8 опорного цифрового слова, равного в данном случае числу 2^n-1 центра шкалы отсчета мгновенных значений сигнала в постоянном запоминающем устройстве 4. Цифровой компаратор 7 управляет вентилем 3, логическая «1» на его выходе разрешает прохождение импульса от тактового генератора 1 на синхронизирующий вход D-триггера 9, информационный вход которого соединен с выходом аналогового компаратора 10, а выход связан с одним из входов узла 11 суммирования через усредняющий фильтр 12. Другой вход узла 11 суммирования присоединен к выходу цифро-аналогового преобразователя 6, а его выход - к выходному аттенюатору 13. Оставшийся вход аналогового компаратора 10 подключен к шине операционного «нуля».

Имитатор кардиосигнала работает в следующем порядке.

Блок 5 управления задает один из 2^m номеров генерируемой кардиограммы, каждому номеру соответствует 2^k n-разрядных ячеек памяти в постоянном запоминающем устройстве 4, хранящих текущие цифровые отсчеты сигнала выбранной кардиограммы. Последовательный перебор ячеек памяти осуществляется счетчиком 2 импульсов, питаемым импульсами тактового генератора 1. В соответствии с выводимым из постоянного запоминающего устройства 4 в результате перебора его адресов числом цифро-аналоговый преобразователь 6 формирует ступенчато изменяющееся напряжение кардиосигнала. Это напряжение, как правило (например, при использовании преобразователя на основе матрицы R-2R), является однополярным, т.е. его базовая линия смещена относительно нуля. Возвращение базовой линии генерируемой кардиограммы к нулевому уровню автоматически производится с помощью дополнительно введенных функциональных узлов.

Аналоговый компаратор 10 непрерывно сравнивает напряжение, возникающее на выходе узла 11 суммирования с уровнем операционного «нуля» («земля», «корпус»), на его выходе при этом образуется один из двух возможных уровней напряжения - либо логического «0», либо логической «1», поступающий на информационный вход D-триггера 9. В те промежутки времени, когда выходное число постоянного запоминающего устройства 4 становится равным присутствующему на шине 8 опорного цифрового слова числу 2^n-1 импульс с выхода тактового генератора 1 проходит на синхронизирующий вход D-триггера, и триггер устанавливается в состояние, диктуемое ему со стороны аналогового компаратора 10. Например, если значение напряжения на выходе узла 11 суммирования меньше нуля, то триггер установится в «1» с высоким логическим уровнем. Тогда выходное напряжение усредняющего фильтра 12 получит положительное приращение, и сигналограмма на выходе узла 11 суммирования сместится в направлении приближения ее базового уровня к нулю. Так будет продолжаться до полной компенсации смещения базовой линии, которая будет поддерживаться вблизи уровня операционного «нуля».

Аттенюатор 13 ослабляет кардиосигнал до требуемого уровня, характерного для сигнала, снятого с электрода в процессе процедуры кардиографического исследования.

Стабильное поддержание базовой линии электрокардиограммы обеспечивает повышенную точность ее воспроизведения в учебном медицинском тренажере. Генерирование кардиосигнала не требует управления со стороны компьютера, устройство автономно и просто в использовании.

Литература

1. Имитатор кардиосигналов. Авторское свидетельство СССР 738603, М. Кл. А61B 5/02, F61H 31/00, опубл. 05.06.1980.

2. Шустов М. Эмулятор сигналов кардиографа [Электронный ресурс]. - Режим доступа URL https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=642353 (дата обращения 12.12.2023).

3. Генератор кардиоимпульсов. Патент РФ 2682987, МПК G09B 23/28, опубл. 25.03.2019.

4. Программно-аппаратный комплекс контроля состояния электрокардиоаппаратуры. Патент РФ на полезную модель 86300, МПК G01D 21/00, опубл. 27.08.2009.

5. Подмастерьев, К.В. Генератор тестовых сигналов для поверки и сертификационных испытаний электрокардиоаппаратуры / К.В. Подмастерьев, А.В. Козюра // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2010. - № 1. - С. 82-87. [Электронный ресурс]. - Режим доступа URL https://www.elibrary.ru/download/elibrary_13983172_73710763.pdf (дата обращения 12.12.2023).

6. Федотов, А.А. Имитатор электрокардиосигнала для поверки интерпретирующих электрокардиографов / А.А. Федотов // XV Королевские чтения [Электронный ресурс]: междунар. молодеж. науч. конф., посвящ. 100-летию со дня рождения Д.И. Козлова: сб. тр. : 8-10 окт. 2019 / М-во науки и высш. образования Рос. Федерации, Самар. нац. исслед. ун-т им. С.П. Королева (Самар. ун-т); [науч. ред. М.А. Шлеенков]. - 2019. - Т. 1. - С. 421-422. [Электронный ресурс]. Режим доступа http://repo.ssau.ru/bitstream/Mezhdunarodnaya-molodezhnaya-nauchnaya-konferenciya-Korolevskie-chteniya/Imitator-elektrokardiosignala-dlya-poverki-interpretiruushih-elektrokardiografov-79828/1/XV%20Королевские%20чтения%202019%20Том%201-421-422.pdf (дата обращения 11.12.2023).

7. Имитатор электрокардиосигнала. Авторское свидетельство СССР 1253624, МПК A61B 5/04, G61G 7/48, опубл. 30.08.1986.

8. Рафиков Р.А. Биоэлектричество и медицинская электроника : учеб. пособие / Р.А. Рафиков; Ряз. гос. радиотехн. акад. - Рязань : Изд-во РГРТА, 2005. - 104 с. (рис. 56). Электронный ресурс: Режим доступа https://vunivere.ru/work15648/page30 (дата обращения 11.12.2023) (прототип).

Изобретение относится к медицинской технике. Имитатор кардиосигнала содержит тактовый генератор, счетчик импульсов, постоянное запоминающее устройство, цифро-аналоговый преобразователь, блок управления, аттенюатор, цифровой компаратор, аналоговый компаратор, триггер с логическим вентилем, усредняющий фильтр и узел суммирования. Входы логического вентиля подключены к выходам соответственно цифрового компаратора и тактового генератора. Выход логического вентиля подключен к синхронизирующему входу триггера, выход которого через усредняющий фильтр подсоединен к одному входу узла суммирования. Другой вход узла суммирования связан с выходом цифро-аналогового преобразователя. Выход узла суммирования соединен с другим входом аналогового компаратора и через аттенюатор – с выходом имитатора кардиосигнала. Достигается повышение точности формирования кардиограммы благодаря стабилизации ее базовой линии на заданном уровне. 1 ил.

Имитатор кардиосигнала, содержащий последовательно соединенные тактовый генератор, счетчик импульсов, цифровые выходы которого соединены с группой младших адресных входов постоянного запоминающего устройства, выходами подключенного к входам цифро-аналогового преобразователя, а группой старших разрядов – к цифровому выходу блока управления, а также аттенюатор, отличающийся тем, что в него дополнительно введены соединенный одним входом с выходом постоянного запоминающего устройства, а другим входом с шиной опорного цифрового слова цифровой компаратор, аналоговый компаратор, который одним входом присоединен к шине операционного «нуля», а выходом – к информационному входу триггера с логическим вентилем, усредняющий фильтр и узел суммирования, при этом входы логического вентиля подключены к выходам соответственно цифрового компаратора и тактового генератора, его выход – к синхронизирующему входу триггера, выход триггера через усредняющий фильтр подсоединен к одному входу узла суммирования, другой вход которого связан с выходом цифроаналогового преобразователя, а выход соединен с другим входом аналогового компаратора и через аттенюатор – с выходом имитатора кардиосигнала.