Имитатор физиологических сигналов Советский патент 1986 года по МПК A61B5/02 

Изобретение относится к мегдшщнской технике, а именно к кардиоимита торам гемодинамических процессов в системе кровообращения, и предназнйчено для настройки, градуировки, калибровки и поверки многофункциональных физиологических диагностических приборов (полиграфов), а такж при исследовании гидродинамики кровообращения. Цель изобретения - повышение точности и достоверности воспроизведения одновременно задаваемого комплек са имитируемых сигналов, включающих фонокардиограмму, ультразвуковую допплеркардиограмму, ультразауковую допплервазограмму и пульсограммы сосудов. На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого имитатора; на фиг, 2 - эпюры аналогов физиологи ческих сигналов, формируемых имитатором, а также режимы работы блока автоматической регулировки усиления Имитатор физиологических сигнало (фиг. 1) содержит пульсирующий насос 1 со статором 2 и ротором 3, от крытую 4, всасывающую 5 и нагнетательную 6 камеры, предохранительный клапан 7, первый резервуар 8, запол ненный жидкостью, второй резервуар 9, заполненньй газом, жесткую ем кость 10, первую 11 и вторую 12 поворотные платформы, первое 13 и вто рое 14 гидросопротивления, четыре трубки 15-18 из эластично-упругого материала, четьфе трубки 19-22 из эластичного материала, первую 23 и вторую 24 мягкие емкости, расходомеры 25 и 26, манометры 27 и 28, дроссели 29 и 30, компрессоры 30-33 подвижный замыкающий контакт 34, группу из пяти разомкнутых контактов 35-39, первую ключевую схему 40 первый формирователь 41 импульсов, первый генератор 42 треугольных импульсов, первый модулятор 43 и сумм тор 44, вторую ключевую схему 45, второй формирователь 46 импульсов, второй генератор 47 треугольных импульсов, второй модулятор 48, третью ключевую схему 49, третий формирователь 50 импульсов, блок 51 автоматической регулировки усиления генератор 52 прямоугольных импульсов, третий модулятор 53, генератор 54 трапецеидальных сигналов и четве тый модулятор 55, первый 56, второй 93J 57 и третий 58 генераторы синусоидальных сигналов, генератор 59 шума, преобразователи 60-62 соответственно скорости сокращения насоса, расхода жидкости и давления жидкости в электрические сигналы, блок 63 управления амплитудой и частотой сигналов, зажимы и соединительные шланги. Имитатор работает следующим образом. Пульсирующий насос 1 создает в гидравлической системе имитатора прерывистьй поток жидкости, имитирующий пульсации давления в сосудах организма и вытекающий в нагнетательную камеру 6. Величина среднединамической составляищей давления контролируется манометром 27, подключенным через дроссель 30. Компрессор 31 предусмотрен для изменения давления в камере при необходимости увеличить или уменьшить эластичность аналога аортальной системы, Выходящий из камеры пульсирующий поток контролируется расходомером 25, Предохранительный- клапан 7 осуществляет защиту имитатора от повреждений при форсированной работе насоса и больших значениях входного сопротивления систе1 1Ы, Гидравлш еский сигнал, разветвляясь, через регулируемые гидросопротивления. 13 и 14, имитирующие сопротивления сосудистого русла и создающие перераспределение аналога крови, по штуцерам поступает на эластично-упругие трубки 15 и 17, Первая из трубок является аналогом общей сонной, а вторая - подключичной артерии. Обе они расположены внутри жесткого резервуара 8, заполненного жидкостью. Жидкость, моделирующая эластические свойства органов и тканей, расположенных в верхней части грудной клетки и влияющих на скорости изменения статического объема сосудов и расхода крови, играет роль демпфера. Компрессор 32, соединенный с полостью резервуара, имитирует изменения внутригрудного давления, имеющие место в реальных условиях (например, за счет дыхания). Таким образом, поток, состоящий из ослабленных пульсаций, наложенных на медленно меняющиеся дыхательные волны, из трубок 15 м 17 подается через штуцера соответственно на эластично-упругие трубки 16 и 18, первая из которых является аналогом систем внутренних, а вторая - наружных сонных артерий. Соотношение потоков в системах регулируется гидросопротивлениями 13 и 14. Трубки 16 и 19 размещены в полости жесткого резервуара, заполненного газом, который играет роль демпфера. Компрессор 33 имитирует воздействие атмосферного давления на скорость изменения стати ческого объема сосудов шеи и расход крови в них. С выхода трубки 16 суммарный сигнал, отражающий изменения внутригрудного и атмосферного давлений, совместно с компонентами пуль саций через жесткую емкость 10, выполняющую роль накопительной и моделирующую свойства пазух твердой мозговой оболочки, поступает на мягкие емкости 23 и 24, имитирующие депонирующие свойства глубокорасположенных вен черепа и поверхностных вен головы соответственно. На емкость 24 подается также поток из трубки 19. Эта система из трех емкостей регулирует перераспределение жидкости (в основном, медленно меняющихся составляющих потока) при функциональ ных переполнениях одной из сосудистых ветвей. С выхода емкостей 23 и 24 пульсирующий поток поступает на эластич Hbie трубки 21 и 22, первая из которых является аналогом системы внутренних, а вторая - наружных яремных вен. Они размещены внутри резервуара 9, в полости которого колебания трубок 16, 18, 21 и 22 суммируются: к компонентам аналога артериальных пульсаций и медленно меняющихся составляющих внешнего давления добавляются динамические компоненты .венного пульса. С трубок 21 и 22 сигналы поступаю на эластичные трубки 19 и 20. Перва из них является аналогом системы безымянных и верхней полой вен, а вторая - подключичных вен. В полости резервуара 8 пульсовые колебания ана логов сосудов 15, 17, 19 и 20 суммируются, как в предыдущем случае. Далее сигналы со всех венозных аналого поступают во всасывающую камеру 5, выполненную по типу накопительной ем кости. На ее вход через дроссель 29 подается также жидкость из открытой камеры 4, играющей роль аналога депо крови в организме. Манометр 28 (Snyжит для контроля величины давления во всасывающей части устройства. С помощью поворотной платформы 11 с расположенными на ней элеме 1тами достигается создание в аналоге сосудистой системы продольных или поперечных гидростатических сил, которые являются одним из важнейших факторов, определяющих задание скоростей изменения статического объема сосудов и расхода крови. В этих ситуациях имитируется перераспределение жидкости сред организма при изменении положения головы и верхней части тела по отношению к нижней. Поворотная платформа 12 предназначена для задания указанных параметров во всех звеньях сосудистого русла. При этом моделируется перераспределение крови, происходящее при изменении положения тела человека в пространства. В процессе работы имитатора пульсации давления внутри трубок вызывают колебания их стенок по аналогичному закону. Аналогом пульса центральных артерий являются колебания на выходах трубок 15-18 и вен 19-22, а пульсовых колебаний сосудистых пучков - пульсации давления внутри резервуаров 8 и 9. В подключенных к указанным элементам измерительных каналах полиграфа, лредназначенных для регистрации пульсовых кривых, формируются, например, тест-сигналы аналогов центрального пульса А (фиг. 2) и венозно-артериальной пульсограммы Б сосудов шеи. В процессе работы пульсирующего насоса в каждом начале цикла пульсаций установленный на его роторе подвижный замыкающий контакт J4, соеди- ненньш с общей шиной электронной час-i и устройства, последовательно замыает установленные на статоре 2 насоа неподвижные контакты 35-39. Распоожение неподвижных контактов имитиует временные соотношения фаз серечного цикла. Контакты расположены о окружности статора с расстояними ежду ними, величины которых связаны исловым соотношением 1:2:1:2:1. Этот яд чисел соответствует соотношенням лительностей фаз сердечного цикла . / И/Р/Н /СП. Замыкание первого неодвижного контакта 35 вызывает сраатывание первой ключевой схемы 40, то приводит к запуску первого формиователя 41, вьщающего стандартизи ованньм сигнал на первый генератор 2 треугольных импульсов и генераор 52 прямоугольньгх импульсов. В езультате на выходе генератора 42 ормируется треугольный видеоим ульс, поступающий на один из вхоов первого сумматора 43. Коэффициент kj передачи выходного сигнала генератора 42, задаваемый с блока 51 автоматической регулировки усиения, в этой фазе сердечного цикла принимает минимальное значение гмйн (Фиг 2, Н), На второй вход модулятора 43 непрерывно подаются монохроматические колебания с третьего генератора 58 синусоидальных сигналов. В моменты совпадения во времени синусоидальных сигналов и треугольного видеоимпульса формируется сигнал Д, как аналог составляющей УЗДК в фазе напряжения. Уровень сигнала Д при этом определяется величиной Одновременно с формированием сигнала Д генератором 52 вырабатывается прямоугольный BKfl;eoHMпульс, поступающий на один из входов третьего модулятора 53, Коэффициент kj передачи выходного сигнала генератора 52, задаваемьй с блока 51, при этом (так же, как и для сигнала Д) принимает минимальное значение k, (фиг. 2, М). На второй вход модулятора 53 подаются гармонические сигналы с первогогенератора 56 синусоидальных сигналов, в результате формируется аналог 1 тона ФКГ - В с уровнем, пропорциональным значению k.y .

В момент замыкания подвижным контактом 34 второго неподвижного контакта 36 осуществляется срабаты- . вание второй ключевой схемы 45 и запуск второго формирователя 46. Сигнал с его выхода подается на второй генератор 47 треугольных импульсов и генератор 54 трапецеидальных сиг|Налов. Импульсы с выходов генераторов 47 и 54 подаются соответственно на второй 48 и четвертый 55 модуляторы. Коэффициент kj передачи выходного сигнала генератора 47,- задаваемый с блока 51, в этот период принимает минимальное значение k (фиг. 2, о), а коэффициент k передачи генератора 54 - максимальное значение k (П). На второй вход второго модулятора 48 постзптают синусоидальные колебания с второго

генератора 57 синусоидальных сигналов, а на второй вход четвертого модулятора 55 - шумоподобные сигналы с выхода генератора 59 шума. В ре5 зультате на выходе модулятора 48 формируются импульсы Е, представляющие собой аналог составляющих УЗДК в фазе изгнания (с уровнем, соответствующим значению k,H ), .а на выходе

0 модулятора 55 - сигналь К - аналог составляющей УЗДВ в период систолы (с размахом, пропорциональным k. ).

В момент времени, соответствующий окончанию сигналов и и К , в

5 блоке 51 автоматической регулировки усиления с помощью входящих в его состав времязадающего элемента и цепей коммутации (не показаны) осуществляется перевод блока 51 в режим

0 работы, при котором k, н kj, принимают максимальные значеьшя kj, и Цмакс - минимальное k, .

При замыкании контактом 34 третьего подвижного контакта 37 происхо5 дит вторичное (в пределах одного сердечного цикла) срабатывание первой ключевой схемы 40 и первого формирователя 41 с последующей работой генераторов 42, 52, 58, 56 и .модул я0 торов 43 и 53 аналогично их работе при первом срабатывании (то есть от контакта 35), Таким образом формируестя аналог ж составляющей УЗДК в фазе расслабления и аналог Г второго тона ФКГ с уровнями, пропорциональными соответственно k

И.

2 мин k.

MCLKC

При замыкании контактом 34 четвер. того неподвижного контакта 38 осуществляется вторичное (в пределах одного сердечного цикла) срабатывание второй ключевой схемы 45 и второго формирователя 46 и дальнейшее , функционирование генераторов 47, 54, 57, 59 и модуляторов 48 и 55 аналогично первому (т.е. от контакта 36) срабатывании). При этом формируются аналоги составляющей УЗДК в фазе изгнания - 3 (с уровнем, соответствующим и УЗДВ), в период диастолы Л (с размахом, пропорциональным с

А мин

При замыкании контактом 34 пятого

неподвижного контакта 39 происходит срабатывание третьей ключевой схемы 49 и запуск третьего формирователя 50. Сигнал, поступающий с формирователя 50 на блок 51 автоматической регулировки усиления, вызывает срабатьшание цепей управления режимом работы блока и зада ние коэффициентов передачи , маис ь пин .ч ма.кс Кроме того, сигнал с выхода формирователя поступает на второй вход первого генератора 42 треугольных импульсов. При этом на выходе генератора 42 форкяфуется треугольный видеоимпульс, который далее в первом модуля торе 43 с помощью второго генератора 48 преобразуется в сигнал И, соот ветствующий аналогу составляющей УЗДК в период систолы предсердий (с уровнем, соответствующим k В момент времени, соответствующий сигнала И, в блоке 51 с помощью времязадающего элемента и цепей коммутации осуществляется его перевод в режим работы, при котором kj принимает минимальное значение. За период сердечного цикла на обобщенных выходах Вых 1 и Вых 2 модуляторов 53 и 55 объединяются, соответственно, компоненты В-Г и К-Л, образуя сигналы аналогов ФКГ и УЗДВ. Компоненты Д, Е, Ж, 3, И объединяются с помощью сумматора 44 сигналы Д, Ж, И поступают на один из- его входов, а Е и 3 - на второй вход, в результате на выходе Вых 3 сумматора 44 формируется аналог сигнала УЗДК. В последукицих циклах сердечного сокращения процессы формирования аналогов ФКГ, УЗДК, УЗДВ пов торяются, чем обеспечивается генерирование периодических последовательностей указанных физиологических, сиг налов с их характерными амплитудными и частотными признаками. На входы измерительных каналов п лиграфа аналоги сигналов ФКУ, УЗДК, УЗДВ подаются синхронно с тест-сиг налами аналогов центрального пульса А и венозно-артериальной пульсограм мы сосудов шеи Б. В процессе работы имитатора прео разователи 60-62 соответственно ско рости сокращения насоса, расхода жид кости и давления жидкости вырабатывают электрические сигналы, пропорциональные изменению указанных физи ческих величин и поступающие на вхо :ды блока 63 управления амплитудой и ;частотой сигналов, который формируе управляющие сигналы, изменяющие режимы работы;(уровень и частоту гене рируемых колебаний) первого 56, второго 57 и третьего 58 генераторов синусоидальных сигналов и генератора 59 шума. При этом соответственно с вариациями скорости сокращения насоса, расхода жидкости и давления жидкости изменяются уровни и частотный состав составляющих аналогов ФКГ, УЗДК, УЗДВ. Полученные с помощью имитатора синхронно, в едином масштабе времени, аналоги центрального пульса, венозно-артериальной пульсограммьц ФКГ, УЗДК, УЗДВ могут быть использованы при настройке, градуировке, калибровке и поверке полиграфов. Амплитудные и частотные признаки физиологических сигналов, соотношения уровней их отдельных составляю цих, временные и фазовые соотношения могут быть подобраны в зависимости от целевого назначения приборов путем использования имеющихся регулировокПомимо применения имитатора в качестве источника тест-сигналов он может быть использован также при исследовании гидродинамики кровообращения. При этом производится, например, задание различных режимов работы предлагаемого устройства и последующий математический анализ взаимосвязей между показателями физиологических сигналов и параметрами, характеризующими работу отдельных звеньев используемой в имитаторе модели сердечно-сосудистой системы. Таким образом, использование имитатора обеспечивает одновременное задание аналогов сигналов фойокардиограммы, ультразвуковой допплеркардиограммы, ультразвуковой допплервазограммы и пульсограмм сосудов, что позволяет повысить диагностические . возможности многоканальной физиологической аппаратуры за счет повышения точности воспроизведения аналогов физиологических сигналов и точности настройки измерительных каналов; улучшить дифференциальные возможности физиологических диагностических критериев, предусматривающих применение полифункциональной диагностики с применением комплекса методов, включающих ФКГ, УЗДК, УЗДВ; повысить точность измерения физиологических показателей в условиях воздействия на обследуемых факторов внешней среды (в авиационной, космической, подводной и других областях медицины) путем задания сигналов и предварительной настройки каналов полиграфа на варианты ФКГ, УЗДК, УЗДВ, соответствующие изменениям их амплитудных и частотных показателей в указан ных условиях; минимизировать погрешности, возникающие за счет наличия индивидуальных физиологических особенностей (анатомических, морфологических, функциональных и др.) обследуемых, путем предварительной настройки каналов на тот или иной известный по данным ранее проведенных обследований диагностический вариант нормы; расширить функциональные и методические возможности имитаторов, используемых в медицинской технике, придать им более универсалышй характер, и определить информативные возможности косвенных ме тодов путём оценки характера и степени взаимозависимостей их показателей (сфигмографии, ФКГ, УЗДК, УЗДВ) с системными параметрами, отражаюпщми состояние гомеостаза. Формула изобретения Имитатор физиологических сигнало содержащий пульсирующий насос со статором и ротором, открытую, всасы вающую и нагнетательную камеры, пре дохранительный клапан, первый резер вуар, заполненный жидкостью, второй резервуар, заполненный газом, жесткую емкость, первую ,и вторую поворо ные платформы, первое и второе гидросопротивления, четыре трубки из эластично-упругого материала, четыр трубки из эластичного материала, пе вую и вторую мягкие емкости, расходомеры, манометры, дроссели, компре соры, отличающийся тем что, с целью повышения точности и достоверности воспроизведения одновременно задаваемого комплекса имитируемых сигналов, включающих фонокардиограмму, ультразвуковую доппле ,-кардиограмму, ультразвуковую доппле вазограмму и пульсограммы сосудов, него дополнительно введены установленный на роторе пульсирующего насо са подвижный замыкающий контакт, ус тановленная на статоре пульсирующег насоса группа из пяти неподвижных, разнесенных в пространстве, разомкутых контактов, последовательно сое: иненные первая ключевая схема, перый формирователь импульсов, первый правляемый генератор треугольных мпульсов, первый модулятор и суммаор, последовательно включенные втоая ключевая схема, второй формироатель импульсов, второй управляемый енератор тр€ угольных импульсов и торой модулятор, выход которого одсоединен к второму входу сумматоа, последовательно соединенные ретья ключевап схема, третий формиователь импульсов и блок автоматиеской регулировки усиления, послеовательно включенные управляемый енератор прямоугольных импульсов и третий модулятор, последовательно соединенные управляемый генератор трапецеидальных сигналов и четвертый . модулятор, а также первый, второй и третий генераторы синусоидальных сигналов, генератор шума, преобразователи скорости сокращения насоса, расхода жидкости и давления жидкости в электрические сигналы, блок управления амплитудой и частотой сигналов, причем первый и третий разомкнутые контакты подсоединены к входу первой ключевой схемь, второй и четвертьй контакты - к входу второй ключевой схемы, а пятый контакт - к входу третьей ключевой схемы, вход генератора прямоугольных импульсов подключен к входу первого генератора треугольных импульсов, а вход генератора трапецеидальных сигналов - к входу второго генератора треугольных импульсов, при этом второй выход третьего формирователя импульсов соединен с вторым входом первого генератора треугольных импульсов, первый, второй, третий и четвертый выходы блока автоматической регулировки усиления подключены к управляемым входам соответственно генератора прямоугольных импульсов, первого генератора треугольных импульсов, второго генератора треугольных импульсов и генератора трапецеидальных сигналов, причем первый., второй и третий входы блока управления подключены соответственно к выходам преобразователей скорости сокращения насоса, расхода жидкости и давления жидкости, первый выход блока управления через первый генератор синусоидальных сигналов подсоединен к второму входу третьего модулятора, второй вькод блока управления через второй генератор синусоидальных сигналов - к второму входу второго модулятора, третий выход блока управления через генератор шума - к второму входу четвер1271493 того модулятора, а четвертый выход блока управления через третий генератор синусоидальных сигналов - к второму входу первого модулятора.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к кардиоимитаторам гемодинамических процессов в системе кровообращения. Цель изобретения - повьшение точности и достоверности воспроизведения одновременно задаваемого комплекса имитируемых сигналов. Устройство содержит пульсирующий насос со статором и ротором, открытую, всасывающую и нагнетательную камеры, предохранительный клапан. Первый резервуар заполнен жидкостью, а второй - газом. Кроме того, устройство содержит первый, второй и третий формирователи импульсов, первый и второй генераторы треугольных-импульсов, модуляторы, сумматор, генератор прямоугольных импульсов, генератор трапецеидальных сигналов, генераторы синусоидальных сигналов, блок автоматической регулировки усиления, блок управления амплитудой и частотой сигналов, преобразователи скорости сокращения насоса, расхода жидкости и давления жидс Ф кости в электрические сигналы. Амплитудные и частотные признаки физиоло(Л гических сигналов, соотношения уровней их отдельных составляющих, временные и фазовые соотношения могут быть подобраны в зависимости от целевого назначения приборов путем использования имеющихся регулировок. 2 ил. IND со со