Устройство для автоматизированного анализа электрофизиологических сигналов Советский патент 1987 года по МПК A61B5/02 A61B5/05 

Изобретение относится к медицинской технике и может найти применение при исследованиях в области психологии и физиологии труда, в клиниках различного профиля при автоматизированной оценке функционального состояния человека.

Цель изобретения - сокращение времени анализа.

На фиг. 1 представлены эпюры, поясняющие работу устройства; на фиг. 2 - функциональная схема устройства; на фиг. 3 - Ю функциональная схема блока выделения, переключений; на фиг. 4 - блок-схема алгоритма работы вычислителя.

Устройство для автоматизированного анализа электрофизиологических сигналов содержит соединенные последовательно датчик 1, усилитель 2, а также генератор 3 импульсов, счетчик 4, сумматор 5, соединенные последовательно первую кнопку 6, элемент ИЛИ 7, первый триггер 8, первый эле15

Блок 20 выделения переключений содержит соединенные последовательно первый элемент 26 задержки, первый регистр 27, второй регистр 28, элемент 29 сравнения, первый элемент И 30, первый триггер 31, второй элемент И 32, блок 33 вентилей, второй вход которого подключен к выходу второго регистра, а выход и первый вход являются соответственно первым и вторым выходами блока 20 выделения переключений, первый вход которого соединен с вторым входом первого регистра 27, а второй - с вторым входом второго регистра 28 и входом первого элемента 26 задержки, выход которого подключен к второму входу первого элемента И 30, второй элемент 34 задержки, а также соединенные последовательно элемент НЕ 35, третий элемент И 36, второй триггер 37, второй вход которого соединен с вторым входом первого триггера 31 и выходом второго элемента 34 задержки, вход которого

мент И 9, делитель 10, управляемый генера- 20 подключен к выходу второго элемента И 32, тор 11 пилообразного напряжения, элемент второй вход третьего элемента И 36 под- 12 сравнения, второй триггер 13, второй эле-ключеп к выходу элемента НЕ 35, а третий

мент И 14, выход которого соединен с входа-вход - к выходу первого триггера 31, вход

ми счетчика 4 и сумматора 5, соединенные . элемента НЕ 35 соединен с выходом элемен- последовательно пульт 15, таймер 16, вычис-та 29 сравнения, второй вход которого подлитель 17, цифровой регистратор 18, а так- 25 ключен к выходу первого регистра 27.

Устройство работает следующим образом. В основу работы устройства положен принцип разложения сигнала по его переключениям на составляющие с последующим определением их временных характерисже графический регистратор 19, вход которого также подключен к выходу вычислителя 17, N блоков 20 выделения переключений, каждый из которых соединен последовательно первыми и вторыми выходами с., ,.,. , первыми и вторыми входами следующего бло- тик и оценок энергетических составляющих

ка 20 выделения переключений.

(фиг. Г,

При разложении сигнала выбирается характеристика, отражающая реальные изменения исследуемого процесса. Среди таких характеристик, называемых точками переключения, можно выделить to4KH перегибов, нарущения монотонности, минимумов, разрывов и т. д.

35

Устройство содержит также соединенные последовательно щифратор 21, второй элемент ИЛИ 22, первый элемент 23 задержки, вход которого соединен с вторым входом вычислителя 17, а выход - с вторым входом сумматора 5, выход которого подключен к третьему входу вычислителя 17, четвертый вход которого соединен с выходом щиф- ратора 21, а пятый - с выходом счетчика и первым входом первого блока 20 выделения переключений, вторую кнопку 24, подключенную к второму входу первого триггера 8, а также второй элемент 25 задержки, выход KOTopoi o соединен с вторым входом счетчика 4, а вхпд - с вторым входом уп- 45 равляемого генератора 11 пилообразного напряжения, вторым входом первого блока 20 выделения переключений, первым входом второго триггера 13, второй вход которого соединен с выходом делителя 10, а выход - с первым входом второго элемента И 14, второй вход которого подключен к выходу первого элемента И 9 и входу таймера 16, второй- выход которого соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ 7, перПри разложении сигнала выбирается характеристика, отражающая реальные изменения исследуемого процесса. Среди таких характеристик, называемых точками переключения, можно выделить to4KH перегибов, нарущения монотонности, минимумов, разрывов и т. д.

Для электрофизиологических сигналов наибольщий интерес представляют точки 4о переключения по минимуму, информативность анализа которых показана в ряде теоретических и практических работ.

Рассмотрим пример разложения по ми- ниму.мам, который может быть легко обобщен на случай других типов разложений.

Первое разложение сигнала получают при выделении всех его минимумов и фиксации их амплитуды и времени появления.

50

Каждое последующее разложение получают выделением минимумов предыдущих разложений, также фиксируя их амплитуду и время появления, а заканчивают разложения исчерпанием точек переключения на очередном шаге.

На фиг. 1 показан пример разложения сигнала X(t) на составляющие по точкам

вые выходы блокоа 20 выделения переклю- минимумов. После дискретизации сигнала с чений соединены соответственно с N входа-периодом - имеет рещетчатый сигнал Y,, (it)

ми щифратора 21, выход усилителя 2 - с

вторым входом элемента сравнения.

где i - номер дискреты. При выделении минимумов из сигнала Yo ( ) получают его пер

Блок 20 выделения переключений содержит соединенные последовательно первый элемент 26 задержки, первый регистр 27, второй регистр 28, элемент 29 сравнения, первый элемент И 30, первый триггер 31, второй элемент И 32, блок 33 вентилей, второй вход которого подключен к выходу второго регистра, а выход и первый вход являются соответственно первым и вторым выходами блока 20 выделения переключений, первый вход которого соединен с вторым входом первого регистра 27, а второй - с вторым входом второго регистра 28 и входом первого элемента 26 задержки, выход которого подключен к второму входу первого элемента И 30, второй элемент 34 задержки, а также соединенные последовательно элемент НЕ 35, третий элемент И 36, второй триггер 37, второй вход которого соединен с вторым входом первого триггера 31 и выходом второго элемента 34 задержки, вход которого

0 подключен к выходу второго элемента И 32, второй вход третьего элемента И 36 под- ключеп к выходу элемента НЕ 35, а третий

., ,.,. , тик и оценок энергетических составляющих

5

5

(фиг. Г,

При разложении сигнала выбирается характеристика, отражающая реальные изменения исследуемого процесса. Среди таких характеристик, называемых точками переключения, можно выделить to4KH перегибов, нарущения монотонности, минимумов, разрывов и т. д.

Для электрофизиологических сигналов наибольщий интерес представляют точки о переключения по минимуму, информативность анализа которых показана в ряде теоретических и практических работ.

Рассмотрим пример разложения по ми- ниму.мам, который может быть легко обобщен на случай других типов разложений.

Первое разложение сигнала получают при выделении всех его минимумов и фиксации их амплитуды и времени появления.

0

Каждое последующее разложение получают выделением минимумов предыдущих разложений, также фиксируя их амплитуду и время появления, а заканчивают разложения исчерпанием точек переключения на очередном шаге.

На фиг. 1 показан пример разложения сигнала X(t) на составляющие по точкам

минимумов. После дискретизации сигнала с периодом - имеет рещетчатый сигнал Y,, (it)

где i - номер дискреты. При выделении минимумов из сигнала Yo ( ) получают его первое разложение Y, (t) с амплитудами Y,( , YZI , ..., Yj, , ..., образованными в моменты времени tn, toi, ..., где j - номер выделяемого минимума (номер переключения), а второй индекс соответствует номеру разложения k (для первого разложения k 1). Для наглядности точки решетчатой функции Y, (t) соединены прямыми линиями. При выделении минимумов из сигнала Y, (it-) получают второе разложение сигнала X(t) с координатами по времени ti2, iz2, , t/a, ... и по амплитуде Yi2, Y22, .-., Y/2, ... . В общем случае для k-ro разложения выделяют минимумы k-1- го разложения.

В предлагаемом устройстве разложение сигнала по его переключениям осуш.ествля- ется следующим образом.

На пульте 15 задается время проведения исследования. При нажатии на кнопку 6 все элементы схемы устанавливаются в исходное состояние. С целью упрощения показана только ее связь через первый элемент ИЛИ 7 с установочным входом первого триггера 8. В это время первый элемент И 9 закрыт, импульсы от генератора 3 импульсов в схему не поступают.

При нажатии на кнопку 24 первый триггер 8 устанавливается в состояние «1 открывая первый элемент И 9. Тактовые импульсы от генератора 3 импульсов поступают на вход таймера 16, обеспечивая формирование кода текущего времени. Кроме того, тактовые и.мпульсы запускают в работу и остальные элементы схемы. Через время т дискретизации исследуемого сигнала делитель 10 частоты вырабатывает сигнал запуска управляемого генератора 11 пилообразного напряжения и установки в единичное состояние второго триггера 13. С этого момента времени открывается второй элемент И 14 и через первый элемент И 9 от генератора 3 импульсов будет заполняться счетчик 4 и сумматор 5, выполненный по схеме счетчика с накоплением результата. Кроме того, на выходе управляемого генератора 11 пилообразного напряжения начнет нарастать напряжение по линейному закону от некоторого минимального значения. После того, как напряжение на его выходе достигнет величины напряжения, поступающего с датчика 1 через усилитель 2, элемент 12 сравнения выработает импульс, который установит второй триггер 13 в состояние «О, закрыв тем самым второй элемент И 14 и прекратив поступление импульсов в счетчик 4 и сумматор 5. Одновременно с этим содержимое счетчика 4 перепишется в первый блок 20 выделения переключения, и управляемый генератор 11 пилообразного напряжения установится в исходное состояние.

Через время задержки, определяемое вторым элементом 25 задержки, счетчик 4 установится в исходное состояние, подготовившись к приему новой порции информации о величине амплитуды сигнала на очередном щаге дискретизации, а сумматор 5 сохранит полученную информацию. Очевидно, что чем больше амплитуда сигнала, поступающего с датчика 1 через усилитель 2,

тем дольше будет управляемый генератор 11 пилообразного напряжения работать до достижения равенства с исследуемым сигналом, тем большее количество импульсов будет просчитано счетчиком 4 и тем больше будет

код на его выходе. Таким образом, код па . выходе счетчика 4 будет пропорционален величине амплитуды входного сигнала, посту- , пающего с датчика 1. До тех пор, пока первый блок 20 выделения переключения не выделит точку переключения (минимума) на

исходном сигнале, сумматор 5 будет накапливать сумму величин амплитуд сигнала, измеряемых при каждом запуске управляемого генератора 11 пилообразного напряжения. При выделения точки переключения на

0 исходном сигнале первый блок 20 выделения переключения вырабатывает сигналы Р1 и МА - код величины минимума для второго блока 20 выделения переключения. Одновременно с этим сигнал Р1 поступает на шифратор 21, который формирует номер

5 получаемого разложения k. Когда на основе информации, поступающей с первого блока 20 выделения переключения, второй блок 20 выделения переключения выделит минимум, он выработает сигналы AIA и Р2 для третьего блока 20 выделения переключения и для

0 шифратора 21. Это будет регистрацией точки переключения (минимума) второго разложения. Аналогично происходит передача информации в последовательно включенные блоки 20 выделения переключения при наличии разложений более высокого порядка

вплоть до N-ro блока 20 выделения переключения, количество которых зависит от сложности исследуемого сигнала или желаемого коотичества исследуемых разложений сигнала. Для электрофизиологических сиг- о налов рекомендуемое число разложений 5. Для случая проведения тонких научных исследований число разложений может быть доведено до 10.

Когда в блоках 20 выделения переклю- 5 чения производится выделение переключения минимума через шифратор 21 и второй элемент ИЛИ 22 вырабатывается сигнал ПИ, обеспечивающий прием в вычислитель 17 кода К (вход 4) этого минимума, сформированного шифратором; величины амплитуды минимума (вход 5); текущего времени (вход 1); значения частичной суммы (вход 3). Через время задержки, определяемое первым элементом 23 задержки, содержимое сумматора 5 обнуляется, готовя его 5 к приему новой информации.

Вычислитель 17 производит обработку информации по алгоритму, представленному на фиг. 3.

До началаработы устройства в память вычислителя вводится величина времени дискретизации т и максимальное число вводимых разложений. При составлении алгоритма использовались следующие идентификаторы: j - номер переключения сигнала; k - номер разложения; ПИ - признак передачи информации в вычислитель; ПП - признак просчета для k-ro разложения; Z - частичная сумма амплитуд сигнала для первого разложения на одном участке J, t/k - текущее время получения переключения в k-M разложении; ТТ - время переключения предыдущего (k-1-го) переключения; YT -; амплитуда сигнала предыдущего переключения; SSfc - сумма регистрируемых амплитуд k-ro разложения на одном участке; « - номер регистрируемого участка для k-ro разложения; ф//; - амплитуда сигнала в момент переключения для k-ro разложения.

Оператор обозначает оператор присваивания. Останов вычислителя производится по внешним призпакам после окончания работы устройства, обеспечиваемого сигналом с таймера 16, устанавливающим первый триггер 8 в состояние «О.

Блок 20 выделения переключения работает следующи.м образом. По сигналу содержимое первого регистра 27, равное ф/-1, переписывается во второй регистр 28. Через время Т|, опре.теленное первым элементом 26 задержки, поступают разрещенК , записи входного сигнала по njnne А в первый регистр 27 и разрешающие сигналы на первый элемент И 30 и третий элемент И 36. Если в это время содержимое второго регистра больше содержимого первого регистра (, ф;/;), элемент 29 сравнения вырабатывает сигнал логической единицы, и через первый элемент И 30 производится установка в состояние «1, первого триггера 31. Если первый триггер 31 находится в состоянии «О, а содержимое первого регистра 27 больше содержимого второго регистра 28 (фни ф/fe), си1 нал с элемента ПЕ 35 через третий элемепт И 36 на установочный вход второго триггера 37 не проходит.

По приходу кода числа Ф,-ы вместе с сигналом Р,;-| содержимое первого регистра 27 переписывается во второй регистр 28, который припимает величину ф//,. Далее через время Т| в Первый регистр 27 запишется код числа fp/i-iA . Если вновь окажется, что содержимое второго регистра 28 больше содержимого первого регистра 27, то для первого триггера 31 по.атвердится состояние «1 и второй триггер 37 останется в состоянии «О. Если же содержимое второго регистра 28 меньше содержимого первого регистра 27, то при единичном состоянии первого триггера через элемент НЕ 35 и третий эле.мент И 36 второй триггер 37 установится в состояние «1, тем самым открывается второй элемепт И 32, на выходе которого формируется

0

5

признак Р; обнаружения .минимума. Сигналом Pk открывается блок 33 вентилей, на выход которого поступит минимальное число rfjk через время задержки 2, определяемое вторым элементом 34 задержки, первый триггер 31 и второй триггер 37 установятся в исходное состояние. Далее цикл работы блока повторится при приеме нового числа (pj+2k- Аналогично может быть построен блок выделения максимума при перемене входов элемента сравнения.

Таким образом, применение устройства с предлагаемой структурой и алгоритмом работы по сравнению с известным позволяет практически без усложнения конструкции вы- 5 делить из исследуемого сигнала его различные составляющие, а также производить автоматизированный расчет различных ин- тегральнь х и усредненных показателей, которые, как показали практические исследования, достаточно хорошо отражают изменения функционального состояния, человека и его здоровья, давая в руки исследователя дополнительную полезную для практических и теоретических исследований информацию.

Формула изобретения

I. Устройство для автоматизированного анализа электрофизиологических сигналов, содержащее последовательно соединенные датчик, усилитель, а также генератор импульсов, счетчик, сумматор, отличающееся тем, что, с целью сокращения времени анализа, в него введены соединенные последовательно первая кнопка, элемент ИЛИ, первый триггер, первый элемент И, делитель, управляемый генератор пилообразного напряжения, элемент сравнения, второй триггер, второй элемент И, выход которого соединен со входами счетчика и сумматора, соединенные последовательно пульт, таймер, вычислитель, цифровой регистратор, а также графический регистратор, вход которого также подключен к выходу вычислителя N блоков выделения переключений, соединенных последовательно первыми и вторыми выходами, с первыми и вторыми входами следующего блока переключений, соединенные последовательно шифратор, второй элемент

5 ИЛИ, первый элемент задержки, вход которого соединен с вторым входом вычислителя, а выход - с вторым входом сумматора, выход которого подключен к третье- .му входу вычислителя, четвертый вход которого соединен с выходом щифратора, а пятый - с выходом счетчика и первы.м входом первого блока выделения переключений, вторая кнопка, подключенная к второму входу первого триггера, а также второй элемент задержки, выход которого соединен с втос рым входом счетчика, а вход - с вторым входом управляемого генератора пилообразного напряжения, вторым входом первого блока выделения переключений, первым входом

0

5

0

0

второго триггера, второй вход которого соединен с выходом делителя, а выход - с пер- вым входом второго элемента И, второй вход которого подключен к выходу первого элемента И и входу таймера, второй выход которого соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ, первые выходы блоков выделения переключений соединены соответственно с N входами шифратора, выход усилителя соединен с втор ым входом элемента сравнения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок выделения переключений содержит соединенные последовательно первый элемент задержки, первый регистр, второй регистр,элемент сравнения, первый элемент И, первый триггер, второй элемент И, блок вентилей, второй вход которого подключен к выходу второго регистра, а выход и первый

5

вход являются соответственно первым и вторым выходами блока выделения переключений, первый вход которого соединен с вторым входом первого регистра, а второй - с вторым входом второго регистра и входом первого элемента задержки, выход которого подключен к второму входу первого элемента И, второй элемент задержки, а также соединенные последовательно элемент НЕ, третий элемент И, второй триггер, второй вход которого соединен с вторым входом первого триггера и выходом второго элемента задержки, вход которого подключен к выходу второго элемента И, второй вход третьего элемента И подключен к выходу элемента НЕ, а третий вход - к выходу первого триггера, вход элемента НЕ соединен с выходом элемента сравнения, второй вход которого подключен к выходу первого регистра.

j

Целью изобретения является повышение диагностической дост,оверности анализа электрофизиолог 1чес1 их сигна.юз путед получения временных характеристик различных составляющих сигнала и оиеню их энергетических составляющих. Устройство для авто.1атиз1фованно1 о анализа э.чектро- физиологических сигналов содержит датчик 1, усилитель 2, генератор 3 импульсов, счетчик 4, сумматор 5,триггеры 8 и 13. элементы И 9 и 14, делите,1ь iO частоты, Х-б. ю- ков выделения :1ере лючения ои нала. ипир- ратор, вычислдитель. элементы ИЛИ 7 и 22. элементы 23 н 25 задержки, цифровой и графический регистраторы 18 и 19. управ. мый генератор 11 .пилообразного наг.рн- жепия, элемент 12 сравнения, пульт 15 и таймер 16. 1 3. п. ф-лы, 4 . i. .«амы |L риг.2

PJ

Фиг.5