Устройство для определения собственных параметров резонирующих тел Советский патент 1987 года по МПК A61B5/488 A61B5/05 

113

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения собственных параметров резонирующих тел в частности в медицинской технике для диагностики мьшечного аппарата пациента.

Целью изобретения является сокращение времени и повышение точности измерения параметров

На фиг. 1 представлена функциональная сЗсема устройства; на фиг.2 - схема сканирующего генератора; на фиг. 3 - функциональная схема блока фиксации максимума резонансной кривой (БФМ); на фиг, 4 - амплитудно-частотная характеристика резонирующего тела при возбуждении его сигналом от сканирующего генератора; на фиг. 5

временные диаграммы работы блока БФМ; 20 де приемника колебаний гарантированна фиг. 6 - схема второго коммутатора; да фиг. 7 - функциональная схема вычислительного блока.

Устройство для определения собственных параметров резонирующих тел содержит сканирующий генератор 1 , состоящий из интегратора 2 и управляемого генератора 3, приемник 4 колебаний, усилитель 5, блок 6 фиксации максимума резонансной кривой (БФМ), первую линию 7 задержки, первый коммутатор 8, вычислительный бло 9, осуществляющий вычисление значения частоты колебаний по периоду и добротности резонирующего тела, блок 10 индикаторов частоты и добротное-, ти и возбудитель 11 колебаний.

БФМ 6 (фиг. 3) содержит первый формирователь 12 импульсов, первый триггер 13, первый 14 и второй 15 элементы И первый 16 и второй 17 ключи, первый 18 и второй 19 пиковые детекторы, инвертор 20, второй формирователь 21 импульсов, второй коммутатор 22, третий ключ 23, блок 24 ср авнения..

Вычислительньй блок (фиг. 7) содержит измеритель 25 частоты по периоду, счетчик 26, сдвиговый регистр 27, второй триггер 28, реверсивный счетчик 29, перемножитель 30, блок 31 масштабирования, делитель 32 частоты, вторую 33 и третью 34 линии задержки.

Принцип работы устройства для оп- ределения собственных параметров резонирующих тел заключается в следующем.

Известно, чт.о об упруговязких свойствах мьщ1цы.несут информацию такие ее параметры, как собственная частота колебаний мышцы со и добротность Q (величина, обратно пропорциональная декременту затухания колебаний) , которые могут быть измерены при возбуждении в мышце как в резонирующем теле, собственных колебаний. Сканирующий генератор с изменяющейся по линейному закону частотой выходного напряжения через возбудитель колебаний осуществляет возбуждение колебаний резонирующего тела (). 5 Если диапазон сканирования генератора перекрьгаает диапазон значений частот, в котором могут находиться значения частот собственных колебаний мьщ1цы, то в этом случае на выхо

но возникает сигнал, огибающая которого соответствует резонансному пику амплитудочастотной характеристики (АЧХ) резонатора, по которому можно определить значение собственной частоты колебаний и добротность. При очень малой скорости изменения частоты сканирования можно получить на выходе приемника колебаний статическую АЧХ резонирующего тела, однако такой режим малоприемлем из-за больного времени, требуемого для прохождения всего частотного диапазона. Поэтому имеет смысл осуществлять быстрое сканирование той области частотной характеристики резонирующего тела, в которой находится резонансный пик. При быстром изменении частотно-модулированного сигнала сканирующего генератора на выходе приемника колебаний появляется динамическая АЧХ резонатора, которая может отличаться от статической АЧХ (статическая АЧХ - это АЧХ, снимаемая

при бесконечно.малой скорости сканирования) . Отличие проявляется в сме- положения максимума АЧХ, появлении асимметричности. Резонансная частота динамической и статической АЧХ резонирующего тела свя- зайа следующей зависимостью:

,( - sb

(1)

где

9

U

Смещение положения максимума АЧХ резонатора при возбуждении част от но-модули рованным сигналом

(динамическое возбуждение) ;

S - величина, зависящая от скорости изменения частотно-модули- рованного сигнала Ti и собственных параметров резонатора. При изменении направления сканирования возбуждающего сигнала при его постоянной скорости абсолютные значения сдвигов резонансной кривой остаются прежними, а направления сдвигов относительно статического резонанса противоположными:

МАЙН, Ц:т(1 + 5) npH Xii-O; (1-8) при-Х О; / X,/ / Хг/.

Осредняя результат двух измерений при разных направлениях сканирова- ния, можно получить значение собственной частоты колебаний резонирующего тела

м СО Wo (-т 2

(2) 25

Делая простые преобразования, из выражения (1) можно получить следую- :щую зависимость:

АЙН

)

(3)

т.е. вычисляя значения и сОо в текущий момент времени и зная фиксированное значение скорости сканиро- вания ( А постоянна), можно вычислить добротность резонирующего тела Q. БФМ осздцествляет фиксацию момента прохождения максимума динамической АЧХ при возбуждении в мьшце коле баний, а вычислительный блок измеряет значение частоты сканирующего генератора, равное в зтот момент резонансной частоте мьшцы при динамическом возбуждении, и праизводит вычис- ление собственных параметров мьшщы п формулам (1)-(3).

Устройство для определения собственных параметров резонирующих тел. работает следующим образом.

В первоначальный момент времени сканирующий генератор 1 со строго фиксированным значением скорости через возбудитель колебаний 11 начинает возбуждать резонирующее тело (мьшцу)..

15 общем случае сканирующий генег ратор 1, на который подается сигнал с первого коммутатора 8, представля

/О15

0

5

30

,, Q

0

5

ет собой генератор 3, управляемый линейно изменяющимся напряжением, поступающим, например, с интегратора 2. Принцип управления: если к интегратору 2 подключено положительное напряжение, то напряжение управления с интегратора 2 линейно растет и частота частотно-модулированного сигнала со сканирующего генератора I также линейно растет. При отключении источника питания от входа интегратора 2 напряжение управления начинает линейно уменьшаться, направление сканирования изменяется на противопо- ложнсГё. Приемник 4 колебаний воспри- нимает колебания резонирующего тела, которые через усилитель 5 поступают на вход 6. В области совпадения изменяемой частоты сканирующего генератора 1 и частоты собственных колебаний резонирующего тела наблюдаются резонансные явления (фиг. 4). БФМ 6 в момент прохождения максимума динамического резонанса формирует импульс, поступающий на второй вход вычислительного блока 9 и дающий разрешение на измерение частоты сканирующего генератора 1 по периоду. Одновременно импульс с БФМ 6 поступает на вход первой линии 7 задержки и через время, задаваемое первой линией 7, первый оммутатор 8 переключает направление сканирования генератора 1 .

Схема, поясняющая принцип работы сканирующего генератора 1 и первого . коммутатора 8, показана на фиг. 2.

Первьй коммутатор 8 в этом случае вьтолняет роль ключа, поочеред- но подключающего к входу интегратора разные уровни напряжения. Время S выбирается в зависимости от скорости сканирования и ширины резонансного пика таким образом, чтобы в область сканирования попадал только участок АЧХ, непосредственно прилегающий к резонансному пику. Сканиру- ющий генератор 1 начинает изменение частотно-модулированного сигнала в обратную сторону. В момент достижения, максимума резонансной кривой в обратном направлении, БФМ 6 фиксирует момент прохождения максимума и вырабатывает импульс, разрешающий измерение частоты сОдцд о„(5) в этот момент. Вычислительный блок 9 проводит измерение частоты tOj в этот момент времени, а также вычисление частоты Од и добротности по форму513

ам (1)-(3). После этого значения Uo и -Q фиксируются блоком 10 индикаоров.

Принцип работы БФМ 6 заключается в оценке амплитудных значений колебаний резонирующего тела и выработке сигнала в момент достижения максимального значения колебаний резонирующего тела, В этот момент частота сканирующего генератора 1 соответствует частоте колебаний резонирующего тела. Для фиксации момента прохождения максимума проводится измерение амплитудных значений соседних полуволн колебаний резонирующего тела (фиг, 4).

БФМ 6 (фиг, 3-5) работает следующим образом,

В первоначальный момент времени напряжение на первом и -втором пиковых детекторах 18 и 19 равно нулю, Напряжение с выхода сканирующего генератора 1 через возбудитель 11 колебаний начинает возбуждать мышцу, и на выходе усилителя 5 появляется сигнал XI (фиг, 4), огибающая которого соответствует динамической АЧХ резонатора. Первый формирователь 12 импульсов формирует последовательность однополярных импульсов Х2 из синусоидального сигнала, поступающего с выхода сканирующего генератора 1, Первый триггер 13 обеспечивает попеременную подачу разрешающих импульсов на входы первого 14 и второго 15 элементов И. Дпя рассмотрения работы БФМ 6 используем временные диаграммы (фиг, 5).

Цикл измерений БФМ 6 включает в себя три такта,

Такт 1,Сигналом Х5, поступающим с выхода первого элемента И 14, открывается первый ключ 16, и на первом пиковом детекторе 18 запоминается амплитудное значение напряжения первой, полуволны и (, l)U(g (фиг, 5), Такт II, Сигналом Х7, поступающим с выхода инвертора 20, открыва-. ется третий ключ 23, и на один из входов б11ока 24 сравнения поступает напряжение с первого пикового детектора 18 U,(,l) и с второго пикового детектора 19 U,,0, причем при нахождении второго коммутатора 22 в первоначальном положении напряжение с первого пикового детектора 18 поступает на первый вход блока 24 сравнения, а напряжение с второго пикового детектора 19 - на второй

8236

вход блока 24 сравнения. Блоком 24 сравнения может, служить компаратор, который вырабатывает импульсный сигнал, если напряжение на его первом

входе становится меньше напряжения на втором входе, т.е.

Гив.,и,,,-и„,

K,, Ue«.--u,,,,i,

0 так как U(,l)0, то сигнала на выходе блока 24 сравнения нет,Такт III. В конце второго такта второй формирователь 21 (коротких) импульсов формирует сигнал Х8, посту5 пающий на второй коммутатор 22 и коммутирующий выходы первого и второго . пиковых детекторов 18 и 19 с входами блока 24 сравнения так, что в момент последующего открытия тре0 тьего ключа 23 выход первого пикового детектора 18 оказывается соединенным с вторым входом блока 24 сравнения, а выход второго пикового детектора 19 - с первым входом блока

5 24 сравнения.

Импульсом Х6, поступающим с выхода второго элемента И 15, открывается второй ключ 17 и происходит запоминание амплитудного значения вто0 рой полуволны (точка 2 на фиг. 4) на втором пиковом детекторе 19 и сравнение значений напряжений первого и второго пиковых детекторов 18 и 19 в момент открытия третьего ключа 23 импульсом Х7. Поскольку в этом цикле измерений выход второго пикового детектора 19 скоммутирован с первым входом блока 24 сравнения, а выход пикового детектора 19 - с вторым . входом блока 24 сравнения и b ,, U(.l); u,,Ue,,U(.2); U,,,U, то сигнала на выходе блока 24 сравнения нет. Аналогичным образом, происходит сравнение амплитудных значений полуволн 2 и 3, 3 и 4 (фиг. 4). Блок 24 сравнения формирует импульс останова Х9 в тот такт измерений, когда из двух сравниваемых амплитудных значений напряжений полуволн пре- 5Q дыдущее напряжение больше последующего, т.е, при ,,, где п - номер сравниваемых полуволн (XI). В рассматриваемом случае импульс останова Х9 формируется после сравнения полу5

45

55 волн 8

9, Импульс останова Х9

используется для обнуления первого 18 и второго 19 пиковых детекторов, переключения направления сканирования генератора 1, а также для опреде713

ления частоты сканирующего генератора I в этот момент времени вычислительным блоком 9.. I

Вычислительный блок 9 (фиг. 7) работает следующим образом.

В момент прохождения максимума резонансной кривой импульс от БФМ 6 запускает измеритель частоты по периоду 25, который измеряет частоту сигнала по его периоду в данный момент времени. Полученное значение частоты Один, + 8) записыт вается в счетчик 26 и по положительному входу в реверсивньй счетчик 29. Ь момент обратного прохождения максимума резонансной кривой в счетчик 26 добавляется значение частоты АЯН ) . Поскольку при этом второй триггер 28 перебрасывается в другое состояние, то это же значение частоты записывается и в реверсивном счетчике 29, но уже по отрицательному входу. Таким образом, после двух прохождений максимума резонансной кривой в счетчике 26 записано число, равное («;,««,+ А«1ир а в реверсивном счетчике 29 - равное &o(). После этого импульсом с делителя 32 частоты следования импульсов на два содержимое рчетчи- ка 26 записывается в сдвиговый регистр 27 и сдвигается на один разряд вправо импульсом с делителя 32 частоты (это операция деления содержимого счетчика 26 на два). Полученный после этого результат со поступает на блок 10 индикаторов и на блок, реализующий операцию умножения двухцифровых кодов - перемножитель 30,, где проводится операция умножения содержимого реверсивного счетчика 29 на содержимое сдвигового регистра 27, т.е. (йСО-сОо)- Полученный при этом результат при известной и стабильной скорости сканирования/л ;пропорционален добротности исследуемого резонирующего тела. Зная значение скорости сканирования можно подобрать коэффициент преобразования К„ блока 31 масштабирования таким образом, что на один из входов блока 10 индикаторов поступает значение цифрового кода в единицах добротности. Вторая и третья линии 33 и ЗА задержки обеспечивают своевременную подготовку (обнуление) блоков 26, 27, 29, 30 к следующему циклу измерений.

238

Погрешность измерения собственных параметров известного устройства определяется в основном аппаратурной реализацией измерителя частоты и может достигать 5%.

Погрешность измерения предлагаемого устройства определяется выбранным режимом и состоит из систематической погрешности, обусловленной

смещением максимума динамической резонансной кривой от статической АЧХ резонатора; погрешности, обусловленной нестабильностью скорости сканирования; погрешности за счет срабатывания схемы БСМ не в момент появления полуволны колебания резонирующего тела с максимальным значением амплитуды резонатора, а в момент прихода Следующей полуволны; погрешности пиковых детекторов 18, 19, блока 24 сравнения, которые проявляются в неопределенности момента определения максимума резонансной кривой; погрешности измерения частоты нзмерителя 25 вычислительного блока 9. I

При двукратном измерении (как в

предлагаемом устройстве) с последующим осреднением результата измерений составляющие погрешности значи- тельно уменьшаются (первая и третья составляюш 1е исчезают, а вторая и четвертая значительно уменьшаются). Так, при скорости сканирования J

1 Гц/с и нестабильности -- 1% сум-

марное значение погрешности для рассматриваемого класса резонирующих тел (мьшщы) составляет 1-2,5%. Сравним соотношение мощностей,

требуемых для возбуждения колебаний резонирующего тела с начальной амплитудой колебаний А при импульсном возбуждении (известное устройство) и при возбуждении сигналом определенной частоты (возбуждение частотно- модулированным сигналом).

Мощность, затрачиваемая на возбуждение колебаний при импульсном возбуждении, равна

р имп R

где значение напряжения прямоугольного импульса, подава емого в обмотку возбуждения (В) ;

R - сопротивление обмотки возбуждения (Ом) .

9.13

При оптимальной длительности возбуждающего импульса ,05 мс амплитуда колебаний А связана с напряжением прямоугольного импульса следуюг им соотношением:

А„-(1,5-2).и,„,.К,„,Кр,,,

где Кв,,,Б,Кррз- коэффициенты преобразования возбудителя колебаний и резонирующего тела и зависящие; от типа возбудителя; Kpg от места приложения импульсного воздействия, состояния кожного покрова.

Для возбуждающего сигнала с частотой, совпадающей с частотой собствен- ньпс колебаний резонирующего тела, связь амплитуды колебаний мышцы AQ и возбуждающего напряжения U принимает вид

Ao Q-Uc-K6o3S-Kpev

где Ug - амплитудное значение напряжения гармонического возбуждающего сигнала.

Средняя мощность гармонического сигнала равна

.2

Р.

Уя

cf 2R

Дпя реальных значений параметров исследуемых резонирую1цих тел (добротность 1-5, оптимальная длительность возбуждающего сигнала 0,05 мс) отношение мощностей составляет

rl2« s-10

, (1,5-2Г

т.(:. ДЛЯ возбуждения колебаний мьш- цы с амплитудой А в предлагаемом устройстве потребуется мощность в 5-10 раз меньшая, чем при импульсном возбуждении (как в известном устройстве) до той же амплитуды, что значительно повьщ1ает электробезопасность устройства при исследовании живых тканей.

Кроме того, применение одного ск нирующего генератора для возбуждения при наличии нескольких приемников колебаний позволяет проводить одновременное измерение собственных параметров нескольких ньолц. Это может быть необходимо при экспресс-ан лизе состояния нескольких мышц паци , ента.

310

Формула изобретения

1. Устройство для определения собственных параметров резонирующих

тел, содержащее вычислительный блок, возбудитель колебаний и последовательно подключенные приемник колебаний и усилитель, отличающееся тем, что, с целью сокращения

времени и повьшения точности измерения параметров, оно дополнительно содержит последовательно соединенн ш блок фиксации максимума резонансной кривой, первую линию задержки, - первый коммутатор и сканирзпощий генератор, .выход которого подключен к входу возбудителя колебаний и к первому входу вычислительного блока, второй вход которого соединен с входом первой линии задержки и с выходом блока фиксации максимума резонансной кривой, вход которого подключен к выходу усилителя, выходы вычислительного блока соединены с блоком индикаторов.

2. Устройство по п. I, о т л и - .чающееся тем, что блок фиксации максимума резонансной кривой содержит первый и второй..формирова-- тели импульсов, первьй триггер, первый и второй элементы И, первый,

второй и третий ключи, первый и второй пиковые детекторы, инвертор, второй .коммутатор и блок сравнения, причем вход блока фиксации максимума

резонансной кривой соединен с первыми входами первого и второго ключа и с входом первого формирователя импульсов , выход которого подключен к входу инвертора, к первым входам

первого и второго элементов И и к

входу первого триггера, первый и второй выходы которого соединены с вторыми входами соответственно первого и второго элементов И, выходы которого подключены к вторым входам соответственно первого и.второго ключей, выходы каждого из которых через соответствующий пиковый детектор соединены с первым и вторым входами второго коммутатора, третий вход которого через второй формирователь импульсов подключен к выходу инвертора и к первому входу третьего ключа, первый и второй выходы второго ком- мутатора соединены соответственно с вторым и третьим входами третьего ключа, первый и второй выходы которого подключены соответственно к пер- и второму входам блока сравне11 . 13 ния, выход которого соединен с вторыми входами первого и второго пиковых детекторов и с выходом блока фиксации максимума резонансной кривой.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вычислительный блок содержит последовательно соединенные измеритель частоты по периоду, счетчик и сдвиговый регистр, последовательно подключенные второй триггер, реверсивный счетчик, перемножитель и блок масштабирования, последовательно соединенные делитель частоты вторую линию задержки и третью линию задержки, первый вход измерителя частоты по периоду подключен к первому входу вычислитель

Фие,2

312

ного блокаi второй вход измерителя, частоты по. периоду соединен с вторым входом вычислительного блока, с входом второго триггера и с входом

делителя частоты, выход которого подключен к одиночному входу сдвигового регистра, выход которого соединен с одним из выходов вычислительного блока и с вторыми входами перемножителя,

одиночный вход которого подключен к выходу третьей линии задержки, вход которой соединен с одиночными входами счетчика и реверсивного счетчика, вторые входы которого подключены к

выходам измерителя частоты по периоду и к входам счетчика, выход блока масштабирования соединен с другим выходом вычислительного блока.

(Рие.з

Wui.ff

Л Z1

r-o l

iput.f

Изобретение относится к медицинской технике. Цель изобретения - сокращение времени и повьшение точности измерения параметров. Устройст во содержит сканирующий генератор 1, приемник колебаний, усилитель, блок фиксации максимума резонансной кривой (БФМ) 6, первую линию задержки 7, первый коммутатор 8, вычислительный блок 9, блок индикаторов частоты и добротности 10 и возбудитель колебаний 11. БФМ содержит первый формирователь импульсов, первый триггер, первьй и второй элементы, пер- вьш и второй ключи, первый и второй пиковые детекторы, инвертор, второй формирователь импульсов, второй коммутатор, третий ключ, блок сравне- .ния. Применение одного сканирующего генератора при наличии нескольких приемников колебаний позволяет проводить одновременное измерение собственных параметров нескольких мьппц. 2 3.п. ф-лы, 3 ил. (Л ; :о Фаг. г

Ф«г.7

Составитель М.Пластинин Редактор Н.Швыдкая Техред В.Кадар

Заказ 2539/2 Тираж 595.Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

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

Корректор Т.Колб