Устройство для измерения ритма сердца Советский патент 1987 года по МПК A61B5/02 

разование новых ГНЯЗРИ между элементами устройстгза гюзвопяет яа счет совместной (тбработкн ряда последовательных интервалов между импульсами ритмеграммы повысить помехоустойчиИзобретение относится к технике .спортивных и медицинских измерений, а именно к устройствам для измерения кардиоинтервалов и частоты сокращения сердца человека в условиях повышенного уровня помех, вызванных активной двигательной деятельностью

Целью изобретения является повышение помехозащищенности.

На фиг.1 приведена структурная электрическая схема устройства; на фиг. 2 - структурная электрическая схема формирователя импульсов; на иг.З - структурная электрическая схема арифметического блока; на фиг. 4- 8 даны структурные электрические схемы предпочтительного варианта выполнения соответственно формирователя импульсов, комбинационного сумматора, коммутатора, второго счетчика импульсов и его счетной ячейки; на фиг. 9 и 10 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие работу соответственно арифметического блока и формирователя импульсов.

Устройство для измерения ритма сердца содержит последовательно соединенные генератор 1 импульсов,формирователь 2 импульсов, первый счетчик 3 импульсов, сдвиговый регистр 4, арифметический блок 5, дешифр а- тор 6, второй счетчик 7 импульсов, второй вход которого подключен к второму выходу формирователя 2 им- пульсов, а третий вход - к второму выходу арифметического блока 5, элемент ИЛИ 8, регистр 9 хранения, первый вход которого также подключен к четвертому входу второго счетчика 7 импульсов, а вторые входы подключены поразрядно к входам элемента ИЛИ 8, блок 10 индикации и элемент И 11, первый вход .которого соединен с вторым выходом генератора 1 импуль сов, а второй вход тт пмход - соот1284312

вость измерения ритма сердца и))И ni,i- соком уровне помех, что увеличивает диагностическую информативность результатов измерения. 2 з.п, ф-лы, 10 ил.

5

0

5

0

5

0

5

ветственно с вторым выходом и вторым входом первого счетчика 3 импульсов, причем второй вход формирователя 2 импульсов подключен к входной шине устройства, третьи входы подключены поразрядно к вторым входам арифметического блока 5, а четвертый выход- к второму входу сдвигового регистра 4.

Формирователь 2 импульсов (фиг.2) содержит последовательно соединенные первый триггер 12, первый вход которого является вторым входом формирователя 2 импульсов, второй триггер 13, выход которого является четвертым выходом формирователя 2 импульсов, третий триггер 14, четвертый триггер 15, элемент И 16,второй вход которого соединен с вторыми входами второго триггера 13 и третьего триггера 14 и является первым входом формирователя 2 импульсов, и сдвиговый регистр 17, первые выходы которого являются третьими выходами формирователя 1 импульсов, второй выход подключен к второму входу четвертого триггера 15, а второй вход - к первому входу третьего триггера 14,выход которого соединен с вторым входом первого триггера 12, с третьим входом второго триггера 13 и явля- .ется первым выходом формирователя 2 импульсов.

Арифметический блок 5 (фиг.З) содержит комбинационный сумматор 18 и N параллельно включенных коммутаторов 19, первые входы которых являются первыми входами арифметического блока 5, вторые входы являются вторыми входами арифметического блока 5, а выходы каждого из коммутаторов 19 подключены поразрядно к соответствующим входам комбинационного сумматора 1В, первые выходы которого являются первыми выходами арифмети3i;

ческого блока 5, а второй выход -является вторым выходом арифметическо- г о блока 5.

В предпочтительном варианте выполнения устройства генератор 1 импуль- сов состоит из последовательно соединенных кварцевого мультивибратора и делителя частоты следования импульсов, выполненного на счетчике импульсов.

Формирователь 2 импульсов (фиг.4) выполнен на четьфех триггерах 12-15 D-типа, двухвходовом логическом элементе И 16 и сдвиговом регистре 17 с последовательным входом, имеющим N разрядов, причем D-входы первого триггера 12, четвертого триггера 15 и сдвигового регистра 17 подключены к шине логической единицы, а вход сброса третьего триггера 14 соединен с нулевой шиной. Первый счетчик 3 импульсов выполнен в виде двоичного счетчика с параллельным выходом,имеющего К разрядов. Сдвиговый регистр 4 состоит из N параллельно соединенных по цепям управления ячеек, разрядность каждой из которых равна .К.

Комбинационный сумматор 18 (фиг.5) содержит N-1 последовательно соединенных К-разрядных сумматоров 20, в первом из которых первые входы подключены поразрядно к выходам первого коммутатора 19, а вторые входы - поразрядно к выходам второго коммутатора 19, в каждом i-M сумматоре 20, кроме первого, вторые входы подклю- чены поразрядно к выходам (i+i)-ro коммутатора 19, а третий .вход соединен с вторым выходом (i-1)-ro сумматора 20, а в (N-1)-M сумматоре .20 первые выходы подключены поразрядно к входам дешифратора 6, а второй выход соединен с третьим входом второго счетчика 7 импульсов.

Каждый коммутатор 19 (фиг.6) сое- тоит из К идентичных и параллельно включенных лот ических элементов И 21 первые входы которых являются первыми входами коммутатора 19 и подключены поразрядно к выходам соответ- ствующей ячейки сдвигового регистра 4, вторые входы соединены между собой и образуют второй вход коммутатора 19, а выходы являются выходами коммутатора 19 и подключены по- разрядно к соответствующим входам комбинационного сумматора 18.

Второй счетчик 7 импульсов (фиг.7) состоит из М идентичных и параллель124

но включенных счетных ячеек -22,первые (счетные) ВХОДЕЛ которых являются первыми входами второго счетчика 7 импульсов и подключены поразрядно к выходам дешифратора 6, вторые (тактовые) входы соединены между собой и образуют второй вход второго счетчика 7 импульсов, третьи входы (блокировки счета) соединены между собой и образуют третий вход второго счетчика 7 импульсов, четвертые входы (установки в нулевое состояние) соединены между собой и образуют четвертый вход второго.счетчика 7 импульсов, а выходы (переполнения) являются выходами второго счетчика 7 импульсов.

Каждая счетная ячейка 23 (фиг.8) содержит последовательно соединенные двухвходовый логический элемент И 23, один из входов которого является инвертирующим, и счетный элемент 24. Элемент ИЛИ 8 выполнен на М-входовом логическом элементе ИЛИ, а регистр 9 хранения содержит М ячеек памяти с параллельной записью информации. Блок 10 индикации состоит из М точечных светодиодных индикаторов, образующих М-разрядную шкалу,, каждому разряду которой поставлено в соответствие определенное значение (или диапазон) кардиоинтервала или частоты сердечных сокращений.

Устройство для измерения ритма сердца работает следующим образом.

На второй вход (запуска) формирователя 2 импульсов поступает последовательность импульсов А,, (фиг.9) синхронных с сокращениями сердца (ритмограмма). Временные интервалы ритмограммы удовлетворяют условию:

Т Т Т мин - I - - макс

(1)

где Т- - временной интервал между импульсами ритмограммы (кардиоинтервал а Тзд„ и - минимальное и максимальное значения кардиоинтервалов в диапазоне физиологически возможных значений частоты сердечных сокраще - ний. При формировании ритмограммы помехи образуют случайную последовательность импульсов,которая вместе с ритмограммой поступает на входную шину устройства. Формирователь 2 импульсов из периодической последовательности тактовых импульсов, поступающей на его первый вход с первого выхода генератора 1 импульсов,формирует на своих четырех выходах сни51284512

хроимпульсы, упранияющие работой устройства.

Первый счетчик 3 импульсов осуществляет измерение кардиоинтервалов

я

ч

ритмограммы (фиг.9) путем подсчета количества счетных импульсов,поступающих на второй (счетный) вход первого счетчика 3 импульсов через элемент И 11 с второго выхода генератора 1 импульсов. Измеренные значения кардиоинтервалов последовательно заносятся в сдвиговый регистр 4,в ячейках которого в каждый момент времени записаны таким образом N текуfO

Суммирование в соответствии с формулами (2) производится арифметическим блоком 5 за N тактов, в каждом из которых вычисляется соответствующая сумма S; . Тактирование арифметического блока 5 осуществляется синхроимпульсами, поступающими на его второй вход (управления) с третьего выхода формирователя 2 импульсов .

Основной операцией, выполняемой устройством, является формирование

щих значений смежных кардиоинтервалов -5 совместной гистограммы распределения

частичных сумм Sj , Предварительно весь диапазон значений кардиоинтервалов Т; разбивается на М равных интервалов iT:

в виде количеств счетных импульсов п, (где - номер ячейки), соответствующих кардиоинтервалам Т;.

Если величина кардиоинтервала оказывается больше что может случиться 20 при пропадании импульса ритмограммы из-за пропуска R-зубца.электрокардиограммы или пульсового импульса, то первый счётчик 3 импульсов переполняется. В этом случае сигнал перепол нения с iBToporo выхода первого счетчика 3 импульсов запрещает прохождение счетных импульсов через элемент И 11 и в первом счетчике 3 импульсов фиксируется число, соответствующее Т„.а,с+ 1При поступлении очередного импульса А; ритмограммы (фиг,9 и 10) формирователь 2 импульсов вырабатывает

,rj Тмин

М

(3)

Дешифратор 6 и второй счетчик 7 импульсов производят подсчет коли- 25 чества значений S; , попавших в каждый интервал йТ. Дешифратор 6 осуществляет преобразование входного кода текущего значения в унитарный код, причем каждому выходу дешифратора 6 соответствует определенный интервал йТ. Накопление результатов производится вторым счетчиком 7 импульсов, каждая из М счетных ячеек 22 которого также соответствует опре30

по тактовому импульсу (на своем чет- 35 Деленному интервалу М гистограммы. вертом выходе) импульс управления,по которому числа п:, хранящиеся в ячейках сдвигового регистра 4, сдвигаются в соседние ячейки с большими номерами, а в освободившуюся первую ячейку записывается число п;,.соответствующее измеренному кардиоинтер- валу 5; , После этого первый счетчик 3 импульсов устанавливается в нулевое состояние синхроимпульсом с первого выхода формирователя 2 импульсов и начинается измерение следующего кардиоинтервала с;,., и т.д.

После каждого занесения в сдвиговый регистр 4 очередного значения кардиоинтервала арифметический блок 5 производит последовательное вычисление N частичных сумм S; чисел п, хранящихся в ячейках сдвигового регистра 4:

Сигнал, появившийся на каком-либо выходе (разряде) дешифратора 6,подается на, счетный вход соответствующей счетной ячейки 22, увеличение содер40 жимого которой на единицу производится по синхроимпульсу, поступающему на второй (тактовый) вход второго счетчика 7 импульсов с второго выхода формирователя 2 импульсов.

Для исключения подсчета ложных результатов, вызванных; ограничением разрядности арифметического блока 5, на его втором выходе в случае Sj -махе формируется сигнал перепОл Q нения, поступающий на третий вход . второго счетчика 7 импульсов, а именно на инвертируюшдй вход элемента И 23, и за прещающий прохождение сигнала с выхода дешифратора 6 на

5 счетный вход счетного элемента 24 (фиг.8). После вычисления и обработки последнего значения SN устройство переходит в режим ожидания следуюше- . го импульса А ,, ритмограм -™, при

S,n,+nj+n,,

S,n,, ,-t-nj,

S, . t ,

f

где П - число, хранящееся в j-и

о

ячейке сдвигового регистра 4.

Суммирование в соответствии с формулами (2) производится арифметическим блоком 5 за N тактов, в каждом из которых вычисляется соответствующая сумма S; . Тактирование арифметического блока 5 осуществляется синхроимпульсами, поступающими на его второй вход (управления) с третьего выхода формирователя 2 импульсов .

Основной операцией, выполняемой устройством, является формирование

,rj Тмин

М

(3)

20Дешифратор 6 и второй счетчик 7 импульсов производят подсчет коли- 25 чества значений S; , попавших в каждый интервал йТ. Дешифратор 6 осуществляет преобразование входного кода текущего значения в унитарный код, причем каждому выходу дешифратора 6 соответствует определенный интервал йТ. Накопление результатов производится вторым счетчиком 7 импульсов, каждая из М счетных ячеек 22 которого также соответствует опре30

35 Деленному интервалу М гистограммы.

Сигнал, появившийся на каком-либо выходе (разряде) дешифратора 6,подается на, счетный вход соответствующей счетной ячейки 22, увеличение содер40 жимого которой на единицу производится по синхроимпульсу, поступающему на второй (тактовый) вход второго счетчика 7 импульсов с второго выхода формирователя 2 импульсов.

Для исключения подсчета ложных результатов, вызванных; ограничением разрядности арифметического блока 5, на его втором выходе в случае Sj -махе формируется сигнал перепОл Q нения, поступающий на третий вход . второго счетчика 7 импульсов, а именно на инвертируюшдй вход элемента И 23, и за прещающий прохождение сигнала с выхода дешифратора 6 на

5 счетный вход счетного элемента 24 (фиг.8). После вычисления и обработки последнего значения SN устройство переходит в режим ожидания следуюше- . го импульса А ,, ритмограм -™, при

поступлении которого на входную шн- ну начинается следующий цикл работы устройства.

Операции формирования гистограм- tь (суммирование, сортировка и накоп ление) осуществляется циклически (после появления очередного импульса ритмограммы) до тех пор, пока какая-либо из счетных ячеек 22 второ го счетчика 7 не переполнится.Тогда сигнал переполнения на выходе этой ячейки через элемент ИЛИ 8 записывает единицу в ячейку памяти регистра 9 хранения, соответствующую переполнившейся счетной ячейке 22. Этот же сигнал, поступая на четвертый вход второго счетчика 7 импульсов, устанавливает все его счетные ячейки 22 в нулевое состояние, и процесс формирования гистограммы начинается сначала.

Содержимое регистра 9 хранения отображается блоком 10 индикации таким образом, что зажигается светодиодный индикатор с номером Шр, соответствующий той ячейке памяти регистра 9 хранения, в которую занесена единица. В качестве оценки ритма сердца принимается:

А. Т„

Т,„ т„.

ьт

или

4ёс

о л

Т„

где т - номер ячейки памяти, в которой произошло переполнение,определяется из выражения (3) 4cfc - оценка частоты сердечных сокращений в ударах за минуту при длительности кардиоинтервала Т, выраженной в секундах.

Определяемые по формулам (4) и (5) значения частоты сердечных сок- ращений или кардиоинтервала могут быть нанесены на панель блока 10 индикации под соответствующими свето- диодными индикаторами.

Отдельные блоки устройства для из- мерения ритма сердца работают следующим образом.

В формирователе 2 импульсов (фиг.4) формулы ритмограммы А; (фиг.10) поступают на первый (тактовый) вход первого триггера 12. В исходном состоянии очередного цикла к моменту появления очередного импульса А;

28Д5128

ритмограммы все триггеры 12-15 находятся в Р1улевом состоянии (фиг. 10, сигналы х12, х13, х14, х15). Положительным фронтом импульса А; первый - 5 триггер 12 устанавливается в единичное состояние, что разрешает установку второго триггера 13, которая осуществляется положительным фронтом первого из тактовых импульсов С,пос10 тупающих с первого выхода генератора 1 импульсов. Сигнал х13 используется для записи содержимого первого счетчика 3 импульсов в сдвиговый регистр 4, для установки в нулевое

15 состояние сдвигового регистра 17 и для разрешения установки третьего триггера 14. Положительным фронтом следующего тактового импульса С третий триггер 14 устанавливается в еди20 ничное состояние. Импульс устанавливает в нулевое состояние первый счетчик 3 импульсов, сбрасывает первый 12 и второй 13 триггеры и устанав- лтавает в единичное состояние четвер тый триггер 15. Сигнал х15 разрешает прохождение тактовых импульсов С через элемент И 16 на первый тактовый вход сдвигового регистра 17 (фиг.10, . сигнал х16). Первым импульсом х16

30

устанавливается в единичное состоя

-

ние первый разряд а, (фиг.10) сдвигового регистра 17. Сигнал а, разрешает вычисление суммы S,. Второй импульс х16 устанавливает в единичное

35 состояние второй разряд сдвигового регистра 17, и после этого вычисляется сумма S и т.д. Импульс х16 под номером N устанавливает в единичное состояние разряд сдвигового регист40 ра 17 под номером N и вычисляется сумма S. Отрицательный фронт каждого из импульсов х16 используется для тактирования второго счетчика 7 по его второму входу, а по отрицатель45 рому фронту последнего импульса х16 вырабатывается сигнал переполнения сдвигового регистра 17, который сбрасывает четвертый триггер 15. На этом цикл работы формирователя 2 заканчи50 вается и он находится в исходном состоянии до появления следующего импульса , ритмограммы. , Арифметический блок 5 производит вычисление частичных сумм S, в соот-

55 ветствии с формулами (2). В исходном состоянии все сигналы а,, а,... а (фиг.10), подаваемые на вторые (управляющие) входы коммутаторов 19, равны нулю. Поэтому все входы комби91284512

национного сумматора 18 подключены через коммутаторы 19 к нулевой шине. В момент появления сигнала а первый коммутатор 19 подключает поразрядно через элементы И 21 первые вхо- 5 ды комбинационного сумматора 18 к выходам первой ячейки сдвигового регистра 4,.в которой хранится число п1. Поскольку на остальных входам комбинационного сумматора 18 присут- Ю ствуют нули, то на его выходах установится код Sj , равный п1. В следующем такте, когда появляется сигнал а,второй коммутатор 19 подключает поразрядно к вторым входам 5 комбинационного сумматора 19 выходы второй ячейки сдвигового регистра 4, в которой хранится число п2. В результате на выходам комбинационного сумматора 18 появится код S2 n2+n1. 20 В третьем такте формируется код Sj п1+п2+пЗ и т.д. После получения суммы SN вычисления прекращаются до

появления следующего импульса А .

PS ритмограммы.

В конкретном варианте выполнения устройства величины М и К выбираются исходя из следующих соображений. Количество разрядов первого счетчика 3 импульсов определяется требуе- 30 мой точностью измерения (периодом следования счетных импульсов) с второго выхода генератора 2 импульсов и максимальной величиной кардиоинтер- вала Т„„. . Число ячеек сдвигового 35

МСчКС

регистра 4 зависит от интенсивности появления импульсных помех в ритмо- грамме и определяется требуемой помехоустойчивостью устройства. Количество выходов (разрядность выходной 40 шины) арифметического блока 5 также соответствует Количество счет- ных ячеек 22, число ячеек памяти регистра 9 хранения и число входов элемента ИЖ 8 равно количеству выходов 45 (разрядов выходной шины) дешифратора 6 и определяется требуемой точностью измерений кардиоинтервала или частоты сердечных сокращений. Емкость счетных ячеек 22 зависит от 50 требуемой надежности измерений и допустимого времени получения оценки кардиоритма

Эффективность работы предлагаемо- 55 rtj устройства можно продемонстриро- BitTb на модели, довольно точно отоб- р 1жающей реальные условия измерения ритма сердца. Предположим, что рит10

мограмма представляет собой последовательность коротких импульсов,следующих с периодом 1 с (частота сердечных сокращений 60 уд/мин). Будем считать, что вероятность появления импульса помехи в каждом кардиоин- тервале равна 1, а распределение момента появления помехи в интервале равномерное. В этом случае, известное устройство за 1 мин работы зафиксирует в среднем 120 результатов измерения интервалов, причем с практически нулевой вероятностью ни один из них не будет близок к величине 1 с, поскольку значения измеряемых интервалов будут равномерно распределены в диапазоне от О до 1 с. В устройстве при будет получено 60 результатов измерения, равным 1 с, а остальные измеренные значения бу- дут равномерно распределены в интервале от О до 2 с. В этом случае вероятность получения оценки,равной истинной -величине кардиоритма, практически равна 1.

Таким образом, совместная обработка ряда последовательных интервалов между импульсами ритмограммы с высоким уровнем помех позволяет значительно повысить помехоустойчивость измерения ритма сердца,что обеспечивает существенное увеличение диагностической информативности результатов измерения ритма сердца человека в условиях его двигательной активности и в других экстремальных условиях, сопровождающихся повышен- ным уровнем помех.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения ритма сердца, содержащее последовательно соединенные генератор импульсов,формирователь импульсов и первый счетчик импульсов, последовательно соединенные дешифратор и второй счетчик, импульсов, к второму входу которого подключен второй выход формирователя импульсов, второй вход которого соединен с входной шиной устройства, и блок индикации, отличают; е- е с я тем, что, с целью повьш1ения помехозащищенности, в него введены последовательно соединенные сдвиговый регистр, первые входы которого подключены поразрядно к первым выходам первого счетчика импульсов,и

1112

арифметический блок, первые выходы которого соединены поразрядно с входами дешифратора, второй выход соединен с третьим входом второго счетчика импульсов, а вторые входы сое- динены поразрядно с третьими выходами формирователя импульсов, четвертый выход которого подключен к второму входу сдвигового регистра, пос- ледовательио соединенные элемент ИЛИ

и регистр хранения, выходы которого подключены поразрядно к входам блока индикации, а вторые входы подключены поразрядно к входам элемента ИЛИ и к выходам второго счетчика импуль- сов, четвертый вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ, элемент И первый вход которого подключен к второму выходу генератора импульсов,а второй вход - к второму выходу пер- вого счетчика импульсов, второй вход которого соединен с выходом элемента И.

2. Устройство по П.1, о т л и- чающееся тем, что в нем фор- мирователь импульсов содержит последовательно соединенные первый триггер, первый вход которого является вторым входом формирователя импульсов, второй триггер, выход которого является четвертым выходом формирователя импульсов, третий триггер, четвертый триггер, элемент И, второй

1212

вход которого соединен с вторыми входами второго триггера и третьего триггера и является первым входом формирователя импульсов, а выход является вторым выходом формирователя импульсов, и сдвиговый регистр,первые выходы которого являются третьими выходами формирователя импульсов, второй выход подключен к второму входу четвертого триггера, а второй вход - к первому входу третьего триггера, выход которого соединен с вторым входом первого триггера с третьим входом второго триггера и является первым выходом формирователя импульсов,

3, Устройство по. П.1, отличающееся тем, что в нем ариф ;метический блок содержит- комбина- ционный сумматор и N параллельно включенных коммутаторов, первые входы которых являются первыми входами арифметического блока, вторые входы являются вторыми входами арифметического блока, а выходы каждого из коммутаторов подключены поразрядно к соответствующим входам комбинационного, сумматора, первые выходы которого являются первыми выходами арифметического блока, а второй выход является вторым выходом арифме- тлческого блока.

Изобретение предназначено для измерения кардиоинтервалов и частоты сокращения сердца в условиях повышенного уровня помех,вызванных активной двигательной деятельностью. Цель изобретения - повышение помехозащищенности. Устройство содержит генератор 1, формирователь 2,счетчики 3 и 7 импульсов, сдвиговый регистр 4, арифметический блок 5, дешифратор 6, элемент ИЛИ 8, регистр 9 хранения, элемент И 11 и блок 10 индикации. Формирователь импульсов 2 содержит четыре триггера, элемент И и сдвиговый регистр, а блок 5 - комбинационный сумматор и параллельно включенные коммутаторы. На вход формировате- пя поступает последовательность импульсов, синхронных с-сокращениями сердца (ритмограмма), при этом поме- хп образуют случайную последовательность импульсов. Счетчик 3 осуществляет измерение кардиоинтервалов ; которые заносятся в регистр 4 в виде числа п. Арифметический блок вычисляет частичные суммы S - п--. Да dлее устройство формирует совместную гистограмму распределения частичных сумм. Введение новых элементов и обi W ю. 00 :л о

/

fcf

блодо dKodffil

5{f/KoffiHl BoiKodbtZ

6KOff1

вымдг

Snodml bwdbit

6ходш

2/

ло8ы

Ьмдг

bwdl, ЬиодЗ

гг

BMffir

фиг. 6 Ьмдо 1.

JL

i

Z2

22

te7

U

бб1кодй1

Выпад

/TV п2 пТ

3 nZ n1

Ti-t Ti .-V;

риг. 9

AiAi i

Qfi PРедактор Й.Петраш

Составитель Э.Балуев Техред М.Ходанич

Заказ 7591/3

Тираж 594Подписное

ВНИИ1Ш 1 осударственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Пройзводственно ппг1и1 рафичрское предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Г

иг. 10

Корректор А.Тяско