Имитатор пульсового сигнала Советский патент 1987 года по МПК A61B5/02 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для моделирования биомедицинских сигналов.

Целью изобретения является повышение точности моделирования сигнала при наруше- ВИЯХ кровообращения, а также расширение демонстрационных возможностей за счет раздельного формирования артериальной и венозной компонент пульсовой волны.

На фиг. 1 приведена структурная элек- трическая схема имитатора пульсового сигнала; на фиг. 2 - структурная электрическая схема синхронизатора; на фиг. 3 - прин.- ципиальная электрическая схема интегратора; на фиг. 4 - принципиальная электрическая схема блока управления; на фиг. 5 - принципиальная электрическая схема функционального преобразователя; на фиг. 6 - временные диаграммы работы синхронизатора; на фиг. 7 - эпюры выходных сигналов основных блоков имитатора пульсового сигнала.

Имитатор пульсового сигнала содержит (фиг. 1) последовательно соединенные первый коммутатор 1, первый интегратор 2 и первый блок 3 управления, синхронизатор 4, первый выход которого подключен к первому входу первого коммутатора 1, второй вход которого соединен с выходом первого блока 3 управления, последовательно соединенные второй коммутатор 5, первый вход которого подключен к второму выходу син- хронизатора 4, второй интегратор 6 и второй блок 7 управления, выход которого подключен к второму входу второго коммутатора 5, последовательно соединенные третий коммутатор 8, первый вход которого подключен к третьему выходу синхронизатора 4, третий интегратор 9 и третий блок 10 управления, выход которого подключен к второму входу третьего коммутатора 8, последовательно соединенные первый сумматор 11, рторой сумматор 12 и регистратор 13, последовательно соединенные первый функциональный преобразователь 14, и третий сумматор 15 и второй функциональный преобразователь 16, вход которого подключен к выходу, третьего интегратора 9 и к второму вхо-ду второго сумматора 12, а вы- ход - к BTOpobi.M входам третьего сумматора 15 и регистратора 13, третий вход которого соединен с выходом третьего сумматора 15, четвертый вход - с выходом третьего интегратора 9, пятый вход - с первым входом третьего сумматора 15, а шестой вход - с входом первого функционального преобразователя 14 и с выходом первого сумматора 11, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно первого интегратора 2 и второго интегратора 6. При этом первый коммута- тор 1, первый интегратор 2 и первый блок 3 управления, второй коммутатор 5, второй интегратор 6 и второй блок 7 управления.

5

Q s

0

5 0 5 50 55

третий коммутатор 8, третий интегратор 9 и третий блок 10 управления образуют соответственно первый, второй и третий управляемые генераторы 17, 18 и 19 линейно изменяющегося напряжения несимметричной формы.

В предпочтительном варианте выполнения имитатора пульсового сигнала синхронизатор 4 содержит (фиг. 2) генератор 20 прямоугольных импульсов, выход которого является первым выходом синхронизатора 4, одновибратор 21 с запуском по заднему фронту входного импульса, выход которого является вторым выходом синхронизатора 4, одновибратор 22 с запуском по переднему фронту входного импульса и инверсным выходом, логический элемент ИЛИ 23 и логический элемент И 24, выход которого является третьим выходом синхронизатора 4.

Каждый из интеграторов 2, 6 и 9 содержит (фиг. 3) операционный усилитель 25, сдвоенный тумблер 26, конденсатор 27 и пять резисторов 28-32.

Каждый из блоков 3, 7 и 10 управления содержит (фиг. 4) первый компаратор 33, второй компаратор 34, инвертор 35, триггер 36, транзистор 37, три диода 38, 39 и 40, реле 41, сдвоенный переключатель 42, восемь потенциометров 43-50 и одиннадцать резисторов 51-61. Первый 1, второй 5 и третий 8 коммутаторы могут быть выполнены на полевых транзисторах.

Каждый из функциональных преобразователей 14 и 16 содержит (фиг. 5) операционный усилитель 62, два транзистора 63 и 64, восемь диодов 65-72, два потенциометра 73 и 74, и семнадцать резисторов 75-91. Сумматоры 11, 12 и 15 могут быть выполнены, например, в виде суммирующих операционных усилителей. В качестве регистратора 13 может быть использован многоканальный самописец или многолучевой осциллограф.

Принцип моделирования пульсового сиг-, нала основан на том, что артериальная пульсация представляет собой бегущую волну и формируется из двух полуволн - положительной и отрицательной (относительно изолинии). Венозная пульсация состоит из одной положительной полуволны, начало которой запаздывает относительно начала артериальной пульсации на время порядка 100 мс. Сигнал пудьсового крове- накопления является суммой двух компонент - артериальной и венозной пульсации.

Имитатор пуль.сового сигнала работает следующим образом.

Под управлением импульсов, поступающих с первого выхода синхронизатора 4 (фиг. 6, I) на первый (управляющий) вход первого коммутатора 1, с второго выхода синхронизатора 4 (фиг. 6, II) на первый (управляющий) вход второго коммутатора 5 и с третьего выхода синхронизатора 4 (фиг. 6, III), на первый (управляющий) вход третьего коммутатора 8, формируются треугольные несимметричные импульсы заданной полярности на выходах соответственно первого управляемого генератора 17 первого интегратора 2 (фиг. Та, второго управля- емого генератора 18 второго интегратора 6 (фиг. 1Ь) и третьего управляемого генератора 19 третьего интегратора 9 (фиг.й). Управляюш.ие импульсы на выходах синхронизатора 4 для имитации одного кардиоцик- ла представлены на фиг. 7 (графики I - III).

Функционирование управляемых генераторов 17-19 можно рассмотреть на примере первого управляемого генератора 17. После включения питания отрицательное стабилизированное напряжение с движка од- ного из потенциометров 43-45 первого блока 3 управления через переключатель 42, нор.мально замкнутые контакты реле 41 и первый коммутатор 1 поступает на вход первого интегратора 2 (фиг. 3). На выходе первого интегратора 2 появляется линей- но нарастающее напряжение, скорость нарастания которого определяется постоянной времени цепи, образуемой резистором 29 и конденсатором 27, и амплитудой задающего напряжения. Далее выходное напря- жение первого интегратора 2 поступает на входы компараторов 33 и 34 первого блока 3 управления (фиг. 4). При достижении напряжения порог а срабатывания, установленного потенциометром 49, на выходе первого компаратора 33 появляется сигнал логиче- ской единицы, который, инвертируясь инвертором 35, устанавливает триггер 36 по первому его входу в единичное состояние. В результате этого открывается транзистор 37 и срабатывает реле 41. Теперь к входу первого интегратора 2 подключено положительное напряжение, и на его выходе появляется линейно падающее напряжение, скорость спада которого определяется также постоянной времени цепи, образуемой резистором 29 и конденсатором 27, и амплитудой задающего напряжения, снимаемого с движка одного из потенциометров 46-48. При этом на первый вход триггера 36 поступает сигнал логической единицы. При достижении изменяющимся напряжением величины порога срабатывания установленного потенциометром 50, на выходе второго компаратора о4 появляется сигнал логического нуля, который устанавливает триггер 36 в нулевое состояние. При этом транзистор 37 закрывается, реле 41 снова переходит в нормально замкнутое сое- тояние и на вход первого интегратора 2 опять подается отрицательное напряжение. Па этом фор.мирование одного кар- диоцикла пульсового сигнала заканчивается, и начинается новый цикл.

Тумблер 26 служит для коррекции нуля операционного усилителя 25 резистором .30. На фиг. 3 он показан в положении «Работа. Посредством сдвоенного переключателя 42 (фиг. 4) производится выбор одной из трех фиксированных форм линейно изменяющегося напряжения. Положение движков потенциометров 43-45 определяет скорость нарастания, а потенцпометров 46- 48 - скорость спада напряжения. Параметры схемы позволяют регулировать эти скорости в пределах от 1 В/с до 10 мВ/с. Амплитуда положительного импульса устанавл - вается потенциометром 49, а амплитуда отрицательного импульса - потенциометром 50.

Первый функциональный преобразователь 14 и второй функциональный преобразователь 16 формпруют из поступающих на их входы кусочно-линейных сигналов (фиг. 7с, d) соответствующие пм параболические аппроксимации (фиг. 71, g) следующим образом. Делитель на резисторах 77-80 в эмпттерной цепи транзистора 63 и делитель на резисторах 84-87 в эмпттерной цепи транзистора 64 создают опорные напряжения, определяющие напряжения открывания соответственно диодов 65-68 и диодов 69-72 (фиг. 5). В зависимости от амплитуды входпого напряжения треугольной формы открывается соответствующий диод 65-72, и вследствие этого изменяется коэффициент передачи делителя, образованного резистором 75 и нелинейным преобразователем на диодах 65-72 и резисторах 77-87. Поскольку открьп ание диодов 65-72 происходит плавно, то плавно изменяется и коэффициент передачи этого делителя, и на неинвертирующий вход операционного усилителя 62 поступает напряжение, близкое по форме к синусоиде. Диоды 65-68 формируют отрицательную полуволну, а диоды б 9-72 положительную полуволну. Степень симметричности фор мируемого сигнала устанавливается потенциометрами 73 и 74.

Синхронизатор 4 формирует такую последовательность управляюпщх импульсов (фиг. 6), которая, открывая в соответствующие моменты времени коммутг торы 1, 5 и 8, обеспечивает вырабатывание управляемыми генераторами 17-19 сигналов требуемой формы (фиг. 7). В первом 3 и третьем 10 блоках управления порог срабатыванпя первых компараторов 33 отрицательного напряжения устанавливается равным ну. 1Ю, и поэтому первый 17 и третий 19 управляемые генераторы формируют треугольные импульсы только положительной полярности (фиг. Та, d). Во втором блоке 7 управления порог срабатыванпя второго компаратора 34 положительного напряжепия устанавливается также нулевым, и поэтому второй управляемый генератор 18 формирует треугольные импульсы то. 1ькп отрицате, 1ьной полярности (фиг. 7Ь).

Выходные сигналы первого 2 п второго 6 интеграторов подаются на входы первого сумматора И, на выходе которого формируется кусочно-линейная аппроксимация артериальной составляющей сигнала периферического нульса (фиг. 7с), венозная составляющая которого (фиг. 7 d) фор.мируется на выходе третьего интегратора 9 с задержкой, задаваемой управляющим нмпульсо.м на третьем выходе синхронизатора 4 (фиг. 7, II). На выходе второго сум.ма- тора 12 формируется сигнал, являю- пгийся кусочно-линейной анпрокси.мацией пульсового сигнала (фиг. 7е), а на выходе третьего сумматора 15 и выходах нервого 14 и второго 16 функциональных преобразователей формируются сигналы, являю- нишся параболической аппроксимацией пульсового сигнала и его артериальной и венозной состав;1яюни1х (фиг. 7 h, f, g). Полученный сигна.т нульсового кровенанолнения близок по форме к реальному сигналу нульса н имеет все его характерные точки: А - начало нульсовой волны, С - вершина нульсоной волны, I - инцизура и D - дикро- тический зубец на нисходящей части пульсовой волны. Выходные сигналы третьего управляемого генератора 19, сумматоров 11, 12 и 15 и .функциональных преобразователей 14 и 16 подаются на многоканаль- hifi регистратор 13.

Таки.м образом, и.мптатор пульсового сигнала нозво;1яет моделировать форму био- сигиала нульсового кровенанолнения в целом, а также его артериа.тьную и венозную компоненты и обеснечивает имитацию путем из.менения амплитудных и временных параметров, составляюп.их формируемого сигнала, различных нарушений системы кровообращения, таких как повьипение периферического сосудистого сопротивления, спижение венозного тонуса и др. Имитатор нульсового сигнала может быть использован для калибровки измерительных трактов анализаторов пульса, а также для изучения и демонстрации процесса формирования пульсовой волны.

0

5

0

5

0

Формула изобретения Имитатор пульсового сигпала, содержащий последовательно соединенные первый интегратор и первый блок управления, отличающийся тем, что, с целью повышения точности моделирования сигнала при нарушениях кровообращения, а также расширения демопстрациопных возможностей за счет раздельного формирования артериальной и венозной компопент пульсовой волны, в пего введены последовательно соединенные синхронизатор и первый коммутатор, второй вход которого подключен к выходу первого блока управления, а выход- к входу первого интегратора, последовательно соединенные второй коммутатор, первый вход которого подключен к второму выходу синхронизатора, второй интегратор и второй блок управления, выход которого подключен к второму входу второго ком.мутатора, последовательно соединенные третий коммутатор, первый вход которого подключен к третье.му выходу синхронизатора, третий интегратор и третий- блок управления, выход которого подключен к второму входу третьего коммутатора, последовательно соединенные первый сумматор, второй су.мматор и регистратор, последовательно соединенные функциональный преобразователь и третий сумматор, и второй функциональный преоб разо- ватель, вход которого подключен к выходу третьего иитегратора и к второму входу второго сумматора, а выход - к вторым входам третьего сумматора и регистратора, третий вход которого соедипен с выходом третьего сумматора, четвертый вход - с выходом третьего интегратора, пятый вход - е нервым входо.м третьего сумматора, а шестой вход - с входо.м цервого функционального преобразователя и с выходом первого сумматора, первый и второй входы которого подключены к выхода.м соответственно первого интегратора и второго интегратора.

гЧ

51 cMIZh

75

5

42

Устройство содержит последовательно соединенные интегратор 2 и блок 3 управления. С целью повышения точности моделирования сигнала при нарушениях кровообращения, а также расщирение де.монстра- ционных возможностей за счет раздельного формирования артериальной и венозной компонент пульсовой волны в него введены последовательно соединенные, синхронизатор 4 и коммутатор 1, последовательно соединенные коммутатор 5, интегратор 6 и блок 7 управления, последовательно соединенные коммутатор -8, интегратор 9 и блок 10 управления, последовательно соединенные су.мматор 11, сумматор 12 и регистратор 13, последовательно соедиг-енные функциональный преобразователь 14 и сумматор 15, и функциональный преобразователь 16. 7 ил. (Л со G5 О Oi со ifue..

Фиг. 6