Имитатор биосигналов Советский патент 1987 года по МПК A61B5/02 A61B5/04 

112

Изобретение относится к медицинскому приборостроению, а именно к генераторам испытательных сигналов, предназначенным для контроля кардиологической аппаратуры.

Цель изобретения - сокращение времени формирования биосигнапов.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема имитатора биосигналов; на фиг. 2 - структурная электрическая схема блока задания параметров; на фиг. 3 - схема ждуп1е- го генератора формы биосигнала; на фиг. 4 - схема блока синхронизации; на фиг. 5 - схема функционального преобразователя.

I

-

Имитатор биосигналов содержит последовательно соединенные блок 1 синхронизации, блок 2 задания пара- метров и ждущий генератор 3 формы биосигнапа, первый вход которого также подключен к входу блока 1 синхронизации, второй выход которого соединен с вторым входом блока 2 задания параметров, в состав которого входят последовательно соединенные первый переключатель 4 и первый кодовый преобразователь 5, последовательно соединенные второй переключа тель 6 и второй кодовьй преобразователь 7, первый счетчик 8 импульсов и элемент 9 задержки, последовательно соединенные блок 10 формирования функций, блок 11 умножения, первый сумматор 12, первый регистр 13, второй регистр 14, элемент 15 сравнения первый элемент ИЛИ 16 и второй счетчик 17 импульсов, второй вход которого подключен к третьему выходу блока 1 синхронизации, а выход - к второму входу элемента 15 сравнения, выход которого соединен с вторыми входами второго регистра 14 и ждущего генератора 3 формы биосигнала, выход которого подключен к выходной шине имитатора биосигналов, а первьм вход - к второму входу первого элемента ИЛИ 16 и к третьему входу второго регистра 14, и второй элемент ШШ 18, первый вход которого соединен с четвертым выходом блока 1 синхронизации, а выход - с вторым входом первого регистра 13, выход которого подключен к второму входу первого сумматора 12, а третий и четвертый входы - соответственно к второму выходу и к второму входу блка 2 задания параметров, третий вы

fO

25

30

20 , ход которого соединен с входом блока 10 формирования функций, четвертый выход - с вторым входом блока 11 умножения, а первый выход - с вторым входом второго элемента ИЛИ 18.

Блок 2 задания параметров дополнительно содержит (фиг. 2) последо- . вагельно соединенные третий переключатель 19, функциональный преобразователь 20, первый блок 21 памяти, второй сумматор 22, элемент И 23 и второй блок 24 памяти, выход которого подключен, к входу блока 10 формирования функций и к второму входу 5 второго сумматора 22, а второй вход- к выходу элемента 9 задержки, вход которого соединен с вторым выходом блока 1 синхронизации, третий блок 25 памяти, выход которого подключен к второму входу блока 11 умножения, первый вход - к выходу первого кодового преобразователя 5, а второй вход - к второму выходу функционального преобразователя 20 и к второму входу первого блока 21 памяти, мультиплексор 26, выход которого соединен с третьим входом второго блока 24 памяти, первый вход - с выходом первого счетчика 8 импульсов и с третьими входами первого блока 2 памяти и третьего блока 25 памяти, а второй вход - с четвертыми входами первого блока 21 памяти, второго блока 24 памяти и третьего блока 25 памяти 35 и с первым выходом блока 1 синхронизации, первый кнопочный ключ 27, подключенный к первому входу первого счетчика 8 импульсов, второй кнопочный ключ 28, подключенный к вторым входам первого счетчика 8 импульсов и функционального преобразователя 20, и тумблер 29, подключенный к второму входу элемента И 23, к третьему входу мультиплексора 26 и к входу блока 1 синхронизации, причем выход второго кодового преобразователя 7 соединен с третьим входом первого регистра 13. I

Q В предпочтительном варианте выполнения имитатора биосигналов ждущий генератор 3 формы биосигнала содержит (фиг. З) последовательно соединенные элемент И 30, первый и второй J/J входы которого подключены соответственно к второму и первому входам первого элемента ИЛИ 16, триггер 31, элемент И 32, счетчик 33 импульсов, блок 34 памяти и цифроаналоговый пре40

45

312

образователь 35, выход которого соединен с выходной шиной имитатора биосигналов, элемент 36 задержки, подключенный между вторым выходом и вто рым входом счетчика 33 импульсов, второй выход которого соединен с вторым входом триггера 31 и генераторов 37 импульсов, подключенный к второму входу элемента И 32. Блок 1 синхронизации может быть выполнен в виде (фиг. 4) последовательно соединенных генератора 38 импульсов, счетчика 39 импульсов и дешифратора 40, первый выход которого подключен к второму входу второго счетчика 17 импульсов, а второй выход - к первому входу второго элемента ИЛИ 18, причем выход, первый вход и второй вход счетчика 39 импульсов соединены соответственно с первым входом, вторьт входом и первым выходом блока 2 задания па-- раметров.

Функциональный преобразователь 20 в предпочтительном варианте вьтолне- ния содержит (фиг. 5) последователь- но соединенные дифференциатор А, вход которого подключен к выходу второго кнопочного Ключа 28, триггер 42, элемент И 43 и блок 44 деления, первый выход которого соединен с первым входом первого блока 21 памяти, второй выход - с вторыми входами триггера 42 и первого блока 21 памяти, а второй вход - с шийой постоянного кода, кодовый преобразователь 45, выход которого подключен к третьему входу блока 44 деления, а вход - к выходу третьего переключателя 19, и генератор 46 импульсов, выход которого соединен с вторым входом эле- мента И 43.

Имитатор биосигналов осуществляет формирование требуемого биологического сигнала (например, электрокардиограммы) заданной .формы, период которого изменяется во времени по заданному закону T(t), Функция T(t) в общем случае определяется выражением

T(t)A +2IA„sin(, (1)

ПгН

где AQ - средний период повторения биосигнапа (например, среднее значение кардиоинтервала); А - амплитуда п-й волны; АП длина п-й волны ими- тируемого биологического ритма,

Дпя злектрокардиосигнапа с учетом того, что частота сердечных сокращений может принимать значения от 30

514

до 200 ударов в минуту, величина А лежит в диапазоне от двух секунд до 0,3 с, амплитуды А волн кардиорит- ма - от нуля до 0,2 с, а длина волн кардиоритма - от двух секунд до тысяч секунд.

Имитатор биосигналов работает по принципу дискретного представления функции T(t) биологического ритма

T(iut),inj,

( )

з tO 5 0

0 5 0

5

0

где 1 1 ,2,3,.. . , oi 2 iriit/ Af, - текущий аргумент п-й волны; период тактовой частоты f, значение которой определяется требуемой погрешностью воспроизведения биологического ритма. Например, значение f может быть выбрано равным 1 кГц,

Работа имитатора биосигналов осуществляется в два этапа, определяемые положением тумблера 29 (фиг. 2) блока 2 задания параметров. Н а первом этапе производится задание параметров имитируемого биосигнала, их преобразование и запоминание в определенной последовательности, а также подготовка имитатора биосигнапов к осуществлению второго этапа, на котором производится формирование сигнала с заданной функцией биоритма.

На первом этапе тумблер 29 подключает соответствующий уровень потенциала через первый выход блока 2 задания параметров на вторые входы элементов ИЛИ 16 и 18, на третий вход сброса второго регистра 14, на первый вход ждущего генератора 3 формы биосигнала и на вход блока 1 синхронизации. При этом производятся следующие операции: .формирование через второй элемент ИЛИ 18 команды перевода первого регистра 13 на прием по третьему (информационному) входу двоичного значения кода АО, поступающего с второго выхода блока 2 задания параметров; сброс второго регистра 14; блокировка запуска ждущего -генератора 3 формы биосигнала; формирование сигнала останова второго счетчика 17 импульсов, поступающего на его йервый вход (сброса) через первый элемент ИЛИ 16; останов счетчика 39 импульсов блока 1 синхронизации (фиг, 4) через его второй вход (сброса). Кроме того, уровень потенциала с выхода тумблера 29 производит переключение мультиплексора 26 в режим передачи информации, пос-

тупающей от первого счетчика 8 импульсов, и блокировку информации по выходу элемента И 23 (фиг. 2). Занесение кода AJJ в первый регистр 13 осуществляется импульсами частоты (п+ОГт, поступающими на четвертый вход (записи) первого регистра 13 с второго выхода блока 1 синхронизации. Установка параметров имитируемого биосигнала АрА,,...,А„ и (, ,..., -л производится соответственно вторым, первым и третьим переключателями 6, 4 и 19 блока 2 задания параметров (фиг. 2). Дискретность переключателей 4, 6 и 19 определяется величиной погрешности задания функции биоритма T(t), а разрядность - максимальными значениями среднего периода А биосигнала, амплитуд длин волн биоритма. С первого переключателя 4 двоично-десятичный код А поступает на первый кодовый преобразователь 5, формирующий соответствующий двоичный код, который подается на первый (информационный) вход третьего блока 25 памяти. Задание среднего периода А J, и его преобразования в двоичный код производится с помощью второго переключателя 6 и второго кодового преобразователя 7 аналогично заданию кода амплитуд А. Двоично-десятичный код длины т волны биоритма с третьего переключателя 19 поступает на первый вход функционального преобразователя 20, с первого выхода которо- 35 нератора 3 формы биосигнала по его

первому входу. Элемент 15 сравнения вырабатывает сигнал сравнения нулевого содержимого предварительно сбр шенных на первом этапе второго рего двоичный код начального аргумента п-й волны oin, , преобразованный в соответствии с выражением ОС п,-2 t/ Xfi, поступает на первый (информационный) вход. При нажатии второго кнопочного ключа 28 перепад потенциала поступа- ет на второй вход функционального преобразователя 20 и на второй (счетный) вход первого счетчика 8 импульсов, увеличивая его содержимое на единицу. При этом перед началом задания параметров имитируемого биосиг- напа производится сброс первого счетчика 8 импульсов нажатием первого кнопочного ключа 27. Выходной код первого счетчика 8 импульсов поступает на третьи входы (адреса записи) первого и третьего блоков 21 и 25 памяти и через мультиплексор 26 на третий вход второго блока 24 памяти. Импульс, формируемый по переднему фронту перепада потенциала дифференциатором 41 (фиг. З) функционального преобразователя 20, производит установку триггера 42 в единичное состояние, тем самым обеспечивая прохождение импульсов с выхода генератора 46 импульсов через элемент И 43 на первый вход (синхронизации) блока 44 деления. Последний осуществляет деление подаваемой на его второй вход константы, равной ZITit и выраженной в двоичном коде, на двоичное значение кода длины волны биоритма, поступающее от кодового преобразователя 45. По окончании операции деления блок,44 деления вырабатывает импульс, который производит установку

триггера 42 в нулевое состояние и, поступая с второго выхода функционального преобразователя 20 на вторые входы (записи) первого и третьего блоков 21 и 25 памяти, производит

запись параметров Aj и ui соответственно в третий блок 25 памяти и первый блок 21 памяти. Установленная на выходе элемента И 23 нулевая информация заносится во второй блок

24 памяти импульсами частоты (n+l)f, поступающими через элемент 9 задержки с второго выхода блока 1 синхронизации.

На втором этапе тумблер подключает соответствующий уровень потенциала на первьй выход блока 2 задания параметров, который снимает сброс с второго регистра 14 и дает разрешение по входу 25 на запуск ждущего ге35 нератора 3 формы биосигнала по его

первому входу. Элемент 15 сравнения вырабатывает сигнал сравнения нулевого содержимого предварительно сброшенных на первом этапе второго ре40 гистра 14 и второго счетчика 17. Этот сигнал сравнения поступает на вход сброса второго счетчика 17 импульсов через первый элемент ИЛИ 16, на второй вход (записи) второго ре4S гистра 14 и на в горой вход ждущего генератора 3 формы биосигнала. Сиг- пал сравнения производит запуск ждущего генератора 3 форьы биосигнала и перепись из первого регистра 13 кода

50

55

Ад во второй регистр 4, при этом через время записи информации во второй регистр 14 и время срабатывания элемента 15 сравнения сигнал сравне- .ния прекращается и тем самым снимается сброс с второго счетчика 17 импульсов. Тогда второй счетчик 17 импульсов начинает насчитывать импульсы частоты f, поступающие с первого выхода дешифратора 40 блока 1 синхронизации, и при достижении содержимого второго счетчика 17 импульсов значения кода А, хранящегося во втором регистре 14, элемент 15 сравнения формирует второй импульс сравнения, по которому вновь производится запуск ждущего генератора 3 формы биосигнала, сброс второго счетчика 17 импульсов и запись во сторой регистр 14 нового значения кода времени запуска, сформированного к этому моменту времени и занесенного в первый регистр 13. Затем данный цикл работы периодически повторяется с последующими значениями кода времени запуска T(iii.t), выраженными в двоичном коде.

Для формирования кода времени запуска T(iut) производится последовательное считывание значений А,...,А из третьего блока 25 памяти и синхронное с ним вычисление кодов ОС, J. . п с помощью первого и второго блоков 21 и 24 памяти второго

ка 11 умножения, на второй вход ко - торого с четвертого выхода блока 2 задания параметров подаются значени А. Вычисленные произведения A sinct

5 -с интервалом тактирования /(n+l)fp поступают на первый вход первого сум матора 12, который за время u.t производит п последовательных суммирований с содержимым первого регистра

Ш 13, причем в такте , определяемом моментом времени и формирования тактового импульса частоты f по второму выходу дешифратора 40 блока 1 синхронизации, в первый регистр 13

15 записывается значение среднего пери- .ода АО биосигнапа, поступающее на третий (информационный) вход первого регистра 13-с второго выхода блока 2 задания параметров, при этом второй

20 элемент ИЛИ 18 формирует команду на прием информации первым регистром 13 по его третьему (информационному) входу на время записи кода А. После выполнения операций суммирования на

сумматора 22 и элемента И 23 (фиг.2). выходе первого регистра 13 вырабаты- При этом адреса считывания первого, второго и третьего блоков 21, 24 и 25 памяти и адрес записи второго блока 24 памяти, поступающий через мультиплексор 26, циклически формит 0 руются счетчиком 39 на первом выходе блока 1 синхронизации. Второй сумматор 22, выход которого через элемент И 23 на втором этапе подключается к

вается за каждый тактовый интервал ut значение кода времени запуска в соответствии с выражением (2).

Форма имитируемого биологического сигнала (например, QRS-комплекс и зубцы Р и Т электрокардиограммы) , представленная мгновенными значениями амплитуд, выраженными в двоичном коде, хранится в блоке 34 памяти

первому (информационному) входу вто- 35 (фиг. З). При наличии разрещающего

потенциала (второй этап) на первом входе ждущего генератора 3 формы биосигнапа импульс запуска, поступающий на его второй вход, проходит через элемент И 30 и устанавливает триггер 3 в единичное состояние, а единичный выход триггера 3,. управляя элементом И 32, обеспечивает при этом прохождение импульсов от генератора j 37 импульсов на (счетный) вход счетчика 33 импульсов. Счетчик 33 импульсов формирует адреса считывания (блока 34 памяти и по окончании цикла считывания, определяемого установкой в единицу старшего разряда счетчика 33 импульсов, производит установку в нулевое состояние триггера 31, а через элемент 36 задержки осуществляет собственный сброс. Пифроаналогорого блока 24 памяти, совместно с первым и вторым блоками 21 и 24 памяти выполняет следующую итерационную операцию:

i.,,,r,(i-,)7

.

Значение начального аргумента об, хранится в первом блоке 2 памяти, а промежуточный результат - во втором блоке 24 памяти. Запись результата вычисления текущего аргумента оС ni во второй блок 24 памяти осуществляется импульсами частоты (n+l)f,, поступающими с второго выхода блока 1 синхронизации через элемент 9 задержки, который обеспечивает задержку записи информации на время выполнения операции суммирования вторым сумматором 22. Значения текущего

40

потенциала (второй этап) на первом входе ждущего генератора 3 формы биосигнапа импульс запуска, поступающий на его второй вход, проходит через элемент И 30 и устанавливает триггер 3 в единичное состояние, а единичный выход триггера 3,. управляя элементом И 32, обеспечивает при этом прохождение импульсов от генератора j 37 импульсов на (счетный) вход счетчика 33 импульсов. Счетчик 33 импульсов формирует адреса считывания (блока 34 памяти и по окончании цикла считывания, определяемого установкой в единицу старшего разряда счетчика 33 импульсов, производит установку в нулевое состояние триггера 31, а через элемент 36 задержки осуществляет собственный сброс. Пифроаналого50

аргумента с третьего выхода бло-55 преобразователь 35 преобразует ка 2 задания параметров поступают на записанный в блоке 34 памяти сигнал вход блока 10 формирования функций, в аналоговую форму.

с выхода которого значения функций Таким образом, предлагаемый ими- sinotn; поступают на первый вход бло- татор биосигналов формирует испыта

894518

ка 11 умножения, на второй вход ко - торого с четвертого выхода блока 2 задания параметров подаются значения А. Вычисленные произведения A sinct

5 -с интервалом тактирования /(n+l)fp поступают на первый вход первого сумматора 12, который за время u.t производит п последовательных суммирований с содержимым первого регистра

Ш 13, причем в такте , определяемом моментом времени и формирования тактового импульса частоты f по второму выходу дешифратора 40 блока 1 синхронизации, в первый регистр 13

15 записывается значение среднего пери- .ода АО биосигнапа, поступающее на третий (информационный) вход первого регистра 13-с второго выхода блока 2 задания параметров, при этом второй

20 элемент ИЛИ 18 формирует команду на прием информации первым регистром 13 по его третьему (информационному) входу на время записи кода А. После выполнения операций суммирования на

выходе первого регистра 13 вырабаты-

вается за каждый тактовый интервал ut значение кода времени запуска в соответствии с выражением (2).

Форма имитируемого биологического сигнала (например, QRS-комплекс и зубцы Р и Т электрокардиограммы) , представленная мгновенными значениями амплитуд, выраженными в двоичном коде, хранится в блоке 34 памяти

(фиг. З). При наличии разрещающего

потенциала (второй этап) на первом входе ждущего генератора 3 формы биосигнапа импульс запуска, поступающий на его второй вход, проходит через элемент И 30 и устанавливает триггер 3 в единичное состояние, а единичный выход триггера 3,. управляя элементом И 32, обеспечивает при этом прохождение импульсов от генератора 37 импульсов на (счетный) вход счетчика 33 импульсов. Счетчик 33 импульсов формирует адреса считывания блока 34 памяти и по окончании цикла считывания, определяемого установкой в единицу старшего разряда счетчика 33 импульсов, производит установку в нулевое состояние триггера 31, а через элемент 36 задержки осуществляет собственный сброс. Пифроаналого

9128945

тельный сигнал заданной формы, период которого изменяется во времени по заданному закону. Применение имитатора биосигналов при испытаниях аппаратуры статистической и спектрально- корреляционной обработки биологических сигналов позволяет повысить уровень автоматизации и со1 ратнть затраты времени и средств при контроле качества и при проведении поверочных работ.

10

Формула изобретения

1. Имитатор биосигналов, содержащий последовательно соединенные блок синхронизации, блок задания параметров и ждущий генератор формы биосигнала, первый вход которого также подключен к входу блока синхронизации, второй выход которого соединен с вторым входом блока задания параметров, в состав которого входят последовательно соединенные первый переключа15

20

2, Имитатор по п. 1, о т л и - чающийся тем, что в нем блок задания параметров дополнительно содержит последовательно соединенные третий переключатель, функциональный преобразователь, первый блок памяти, второй сумматор, элемент И и второй блок памяти, выход которого подключен к входу блока формирования функций и к второму входу второго сумматора, а второй вход - к выходу элемента задержки, вход которого соединен с вторым выходом блока синхронизации, третий блок памяти, выход котель и первый кодовый преобразователь торого подключен к второму входу блопоследовательно соединенные второй переключатель и второй кодовый преобразователь, первьй счетчик импульсов и элемент задержки, о т л и ч, а- ю щ и и с я тем, что, с целью сок- ращения времени формирования биосигналов, в него введены последовательно соединенные блок формирования функций, блок умножения, первый сумматор, первый регистр, второй ре- гистр, элемент сравнения, первый элемент ИЛИ и второй счетчик импульсов, второй вход которого подкпючен к третьему выходу блока синхронизации, а выход - к второму входу элемента сравнения, выход которого соединен с вторыми входами второго регистра и ждущего генератора формы биосигнала, выход которого подключен к выходной шине имитатора биосигналов, а первый вход - к второму входу первого элемента ИЛИ и к третьему входу второго регистра и второй элемент ИЛИ, первый выход которого соединен с четвертым выходом блока синхронизации, а выход - с вторым входом первого ре10

гистра, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, а третий и четвертый входы - соответственно к второму выходу и к второму входу блока задания параметров, третий выход которого соединен с входом блока формирования функций, четвертый выход - с вторым входом блока умножения, а первый выход - с вторым входом второго элемента ИЛИ.

2, Имитатор по п. 1, о т л и - чающийся тем, что в нем блок задания параметров дополнительно содержит последовательно соединенные третий переключатель, функциональный преобразователь, первый блок памяти, второй сумматор, элемент И и второй блок памяти, выход которого подключен к входу блока формирования функций и к второму входу второго сумматора, а второй вход - к выходу элемента задержки, вход которого соединен с вторым выходом блока синхронизации, третий блок памяти, выход которого подключен к второму входу блока умножения, первый вход - к выходу первого кодового преобразователя, а второй вход - к второму, выходу функционального преобразователя и к второму входу первого блока памяти, мультиплексор, выход которого соединен с третьим входом второго блока памяти, первый вход - с выходом первого счетчика импульсов и с третьими входами первого блока памяти и третьего блока памяти, а второй вход - с четвертыми входами первого блока памяти, второго блока памяти и третьего блока памяти и с первым выходом блока синхронизации, первый кнопочный ключ, подключенный к первому входу первого счетчика импульсов, второй кнопочный ключ, подключенный к вторым входам первого счетчика импульсов и функционального преобразователя, и тумблер, подключенный к второму входу элемента И, к третьему входу мультиплексора и к входу блока синхронизации, причем вькод второго кодового преобразователя соединен с третьим входом первого регистра.

Фш2

Изобретение относится к генераторам испытательных сигналов, предназначенным для контроля кардиологической аппаратуры, и позволяет сократить время формирования биосигналов. Имитатор биосигналов содержит блок 1 синхронизации, генератор 3, блек 2 задания параметров, блок 10 формирования функций, блок 11 умножения, сумматор 12 регистры 13 и 14, элемент 15 сравнения, элементы ИЖ 16 и 18, счетчик 17. Блок 2 содержит переключатели, преобразователи, счетчик, элемент задержки, сумматор, блоки памяти, элемент И. Работа имитатора осуществляется в два этапа, Сначала потенциал, соответствующий имитируемому биосигналу, с блока 2 подается на вторые входы элементов ИЛИ 16 и 18, на третий вход сброса регистра 14, на первый вход генератора 3 формы биосигнапа и на вход блока 1 синхронизации, с второго выхода которого импульсный сигнал подается во второй блок памяти. На втором этапе формируется биосигнал заданной формы, период которого изменяется во времени по заданному закону. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами имитатора позволяет повысить уровень автоматизации и сократить затраты времени и средств при проведении поверочных работ, 1 з.п, ф-лы 5 ил. i 1C 00 ел cpuf.t

37

55

Фиг.З

r

л

:Ь

ImlUr

Составитель Э. Балуев Редактор С. Лисина Техред Л.ОлейникКорректор В, Бутяга

Заказ 7834/3 Тираж 617

.ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 1.13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

ФигМ

Фцг.5

Подписное