Измеритель частоты пульса Советский патент 1992 года по МПК A61B5/02 

Изобретение относится к медицинской и ветеринарной технике и может быть использовано для контроля физиологического состояния человека и животных.

Известны устройства для измерения частоты пульса, позволяющие за относительно короткое время с заданной точностью определить частоту сердечных сокращений. Однако в условиях воздействия артефактов точность получаемых результатов резко снижается.

Известно также устройство для индикации ритма сердца, позволяющее контролировать пульс в условиях по- , мех за счет многоканальной обработки сигналов с датчиков. Хотя вероятность индикации ложных измерений снижена, при воздействии артефактов устройство будет регистрировать и искаженные результаты измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является устройство, которое содер- :

жит последовательно соединенные формирователь импульсов, генератор тактовых импульсов, а также два счетчика, регистр, индикаторный прибор и ряд других блоков.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения при наличии артефактов. Регистрация показаний частоты пульса при воздействии артефактов в значительной степени искажает общий результат измерения за счет включения в него резко отличающихся значений даже при наличии импульсов экстраполяции, что возможно при контроле физиологического состояния сельскохозяйственных животных в условиях крупных животноводческих ферм и комплексов, когда на животное воздействуют, например, шум трактора или кормораздатчика, а. также возникающие в процессе дойки и кормления стрессовые ситуации.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет уменьшения артефактов.

i

Поставленная цель достигается тем что в устройство, содержащее последовательно соединенные датчик пульса, формирователь импульсов и генератор, а также счетчик и первый регистр, соединенный с индикатором, введены делитель, счетный вход которого соединен с выходом генератора, а выход со счетным входом счетчика, первый блок логических ключей, выходы которого соединены с входами первого ре- гистра, формирователь импульсов сброса, первый выход которого соединен с входом сброса делителя, а второй выход - с входами начальной установки делителя и счетчика, последовательно соединенные элемент задержки и элемент И и последовательно соединен ные второй блок логических ключей, второй регистр, цифровой компаратор, вторые входы которого подключены к сигнальным входам первого и второго блоков логических ключей и выходу счетчика, и элемент ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с вторым входом элменте И, выход которого подключен к входу управления первого блока логических ключей, при этом вход элемент задержки соединен с входом управления второго блока логических ключей, с входом формирователя импульсов сбрса и с первым выходом формирователя импульсов, второй выход которого соединен с входом установки делителя.

Известны устройства, позволяющие контролировать пульс в условиях помех. Однако эти устройства не позволяют исключать из результата измерения данные, искаженные воздействием артефактов, так как в них отсутствует совокупность блоков: формировател импульсов, первый и второй блоки логических ключей, второй регистр, цифровой компаратор,, элемент задержки, элементы И и ИЛИ-НЕ, а также связь между ними.

Таким образом предложенная в устройстве совокупность признаков соответствует критерию существенные отличия.

На фиг. 1 представлена структурная схема предложенного устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг. 3 вариант реализации формирователя импульсов; на фиг. Ц - временные диаграммы, поясняющие работу формирователя импульсов; на фиг. 5

5

5

одна из возможных принципиальных электрических схем делителя и счетчика.

Измеритель частоты пульса содержит (фиг. 1) последовательно соединенные датчик 1 пульса, формирователь 2 импульсов, генератор 3, а также счетчик k и первый регистр 5, соединенный с индикатором 6, делитель 7, счетный вход которого соединен с выходом генератора 3, а выход - со счетным входом счетчика 4, первый блок 8 логических ключей, выходы которого соединены с входами первого регистра 5, формирователь 9 импульсов сброса, первый выход которого соединен с входом сброса делителя 7, а второй выход - с входами начальной установки делителя 7 и счетчика 4, последовательно соединенные элемент 10 задержки и элемент И 11 и последовательно .соединенные второй блок 12 логических ключей, второй регистр 13 цифровой компаратор 14, вторые входы которого подключены к сигнальным входам первого 8 и второго 12 блоков логических ключей и выходу счетчика 4, и элемент ИЛИ-НЕ 15, выход которого соединен с вторым входом элемента И 11, выход которого подключен к входу управления первого блока 8 логических ключей, при этом вход элемента 10 задержки соединен с входом управления второго блока 12 логических ключей, с входом формирователя 9 импульсов сброса и первым выходом формирователя 2 импульсов, второй выход Которого соединен с входом установки делителя 7.

Возможный вариант датчика 1 пульса содержит фотоэлектрический преобразователь и формирователь импульсов, соответствующих ударам пульса, и может быть выполнен на основе схемы измерителя пульса, где в нем используются каскады на микросхемах DA1, DA2 и DD1.

В качестве цифрового компаратора 14 можно использовать четырехразрядные компараторы 564ИП2, элемент 10 задержки, обеспечивающий надежность записи информации со счетчика 4 в первый регистр 3 после окончания переходных процессов, можно реализовать на одновибраторе. В качестве формирователя 9 импульсов сброса также используется стандартная схема од- новибратора.

0

5

0

5

0

5

51

На фиг. 2 представлены эпюры выходных сигналов следующих блоков устройства: а - второго выхода формирователя 2 импульсов; б - первого выхода формирователя 2 импульсов; в - второго выхода формирователя 9 импульсов сброса; г - первого выхода формирователя 9 импульсов сброса; д - счетчика k; е - второго регист- ра 13; ж - элемента ИЛИ-НЕ 15; з - элемента 10 задержки; и - элемента И 11. Цифрой I обозначена работа устройства при нормальной пульсовой длительности, II - при аномальной пульсовой длительности.

Возможный вариант формирователя 2 импульсов (фиг. 3) содержит первый одновибратор 16, второй одновибратор 17, вырабатывающий импульс длитель- ностью ty 10 мс, причем длительность импульса на выходе первого одновибратора 16 выбирается на 0,3 0,5% больше длительности импульса на выходе второго одновибратора 17, например, ty 10,ОА мс, что необходимо для повышения устойчивости работы устройства, генератора 18 импульсов с кГц и схему 19 совпадения.

Временные диаграммы, поясняющие работу формирователя 2, приведены на фиг. , где к - сигнал на выходе датчика 1. пульса; л - напряжение на выходе первого одновибратора 16; м - напряжение на выходе схемы 19 совпадения; н - напряжение на выходе второго одновибратора 17Принципиальная электрическая схема делителя 7 содержит счетчики на микросхемах DD1, .где накапливается текущее значение пульсовой длительности } счетчики на DD2, работающие в режиме вычитания, .и счетчики на DD3, в которых накапливается частное от деления 60000 импульсов и чис ла импульсов, соответствующих пульсовой длительности.

Измеритель частоты пульса работает следующим образом.

Рассмотрим сначала работу устрой- ства при отсутствии артефактов (1).

Отрицательным перепадом сигнала (фиг. 4,к) соответствующего удара пульса, вырабатываемого датчиком 1 пульса, запускается первый одновиб- ратор 1б вырабатывающий импульс ty (фиг. ktn), который включает второй одновибратор 17, вырабатывающий импульс длительностью 0,01 с (фиг.2,6}

0

0 5

о

0 г

Q

5

726

По переднему фронту этого импульса формируется короткий (около 100 не) импульс (фиг. 2,в) с помощью формирователя 9 (второй выход), который устанавливает в исходное состояние счетчик k и производит по входу начальной установки начальную установку и запуск делителя 7. По заднему фронту импульса (фиг. 2,6) с помощью формирователя 9 (первый выход) осуществляется формирование аналогичного импульса (фиго-2,г) поступающего на вход сброса делителя 7.

По окончании импульса (:ц с первого одновибратора 16 (фиг. 3) на первом входе схемы 19 совпадения устанавливается потенциал логической единицы (фиг. ,л) и на выход схемы 19 совпадения с генератора 18 будут поступать импульсы частотой 1 кГц (фиг. ,м), которые, пройдя на в.ход установки знаменателя в блоке делите- ля 7 запоминаются в нем. По окончании пачки импульсов сигналом с первого одновибратора 16 длительностью 0,01 с (фиг. 2,6), запускается второй одновибратор 17 (фиг. 2,6 и ,н), управляющий генератором 3, частота которого, например 6 МГц. Следовательно, с генератора 3 на счетный вход делителя 7 пройдет пачка в 60000 импульсов. Число импульсов с генератора 3 в делителе 7 делится на число импульсов, соответствующих пульсовой длительности, поступивших на вход установки знаменателя, и частное от деления накапливается в счетчике k (фиг. 2,д). Например, при пульсовой длительности 0,5 с на установочном входе делителя k в нем будет записано число 500 и, таким образом, число 60000 будет поделено на 500. При этом с выхода делителя 7 на счетчик пройдет 120 импульсов, что соответствует 120 ударам пульса в минуту.

Предыдущее же значение содержимого счетчика k по переднему фронту импульса с первого.выхода формирователя 2 (фиг. 2,6) перепишется через второй блок 12 логических ключей во второй регистр 13 (фиг. 2,б,д,е) и с момента времени А до момента времени Б (фиг. 2,ж). В цифровом компараторе 1 производится сравнение кодов чисел второго регистра 13 и текущего значения частоты пульса с выхода счетчика .

Если коды чисел, записанные во втором регистре 13 и счетчике 4, сов падуют, то на выходах больше и меньше цифрового компаратора 14 будут присутствовать логические нули а на выходе элемента ИЛИ-НЕ 15 сформируется уровень логической единицы (фиг. 2,ж), который поступает на оди из входов элемента И 11, на второй вход которого воздействует импульс с первого выхода формирователя 2, прошедший через элемент 10 задержки (фиг. 2,з). Время задержки выбирается из условия завершения всех пе- реходных процессов, связанных со сменой информации во втором регистре 13 и счетчике Ц. Сигнал с выхода элемента И 11 (фиг. 2,и) поступает на управляющий вход первого блока 8 ло- гических ключей и разрешает перепись содержимого счетчика 4 в первый регистр 5, с выхода которого результат измерения проходит на индикатор 6. Точность сравнения кодов в цифровом компараторе 14 может задаваться исключением из процесса сравнения младших разрядов и подбирается опытным путем.

В случае воздействия артефактов .(фиг. 2) (под артефактами понимает ся появление ложных сигналов с датчика 1 пульса, например, при движении человека или животного, стрессовых ситуациях у животных на ферме и др.) приводящих к однократному изменению длительности одной пульсовой волны, например, ее увеличению (фиг. 2,а), в счетчике 4 сформируется отличное от действительного значение частоты пульса (фиг. 2,д). В этом случае коды чисел, поступающие со счетчика 4 и с второго регистра 13 на входы цифрового компаратора 14, оказываются неравными (фиг. 2,е). В результате сравнения кодов на выходе цифрового компаратора 14 появится уровень логической единицы, а на выходе элемента ИЛИ-НЕ 15 - логический нуль (фиг. 2,ж), который запрещает пере- пись содержимого счетчика 4 в первый регистр 5 в момент прихода импульса с элемента 10 задержки (фиг. 2,з,и). Аномальное значение частоты пульса не регистрируется, а на индикаторе 6

воспроизводится значение, полученное в предыдущем цикле.

В следующий пульсовой цикл аномальное значение ритма сердца перепиQ0 5

0 ,. о 0

5

сывается во второй регистр 13. При этом в результате сравнения кодов чисел в цифровом компараторе 14 на выходе элемента И 11 разрешающий сигнал на перепись текущей информации со счетчика 4 через первый блок 8 логических ключей в первый регистр 5 не вырабатывается (фиг. 2,и). Итак, при появлении одного аномального периода пульса из регистрации исключается два периода пульса (фиг. 2,ж, з,и), а индикатор 6 воспроизводит предыдущий нормальный результат измерения.

Принципиальная электрическая схема делителя 7 и счетчика 4 функционирует следующим образом (фиг. 5).

Импульсом с первого выхода формирователя 9 импульса сброса (фиг. 2,г) счетчики, собранные на микросхемах DD1, устанавливаются в исходное состояние, после чего с второго выхода формирователя 2 импульсов на вход Т1 начинают поступать импульсы частотой 1 кГц в течение пульсовой длительности. После окончания пачки импульсов в счетчиках DD1 сформируется код числа N,соответствующий пульсовой длительности. Импульсом, сформированным на втором выходе формирователя 9 импульса сброса (фиг. 2,в), по входу РЕ производится начальная установка счетчиков на DD2 (происходит перезапись содержимого счетчиков на DD1. в счетчики на DD2) и сброс по входу R счетчиков на DD3. С этого момента на вход -1 первого счетчика на DD2 начинают поступать импульсы с частотой 6 МГц с генератора 3. Счетчики на DD2 работают в режиме вычитания, то есть записанное число N импульсами генератора 3 уменьшается до нуля. В момент обнуления последнего счетчика DD2 с его выхода 0 на счетный вход Т1 первого счетчика на DD3 проходит и .записывается один импульс и одновременно в счетчики на DD2 вновь вводится код числа N со счетчиков на DD1. Процесс повторяется столько раз, сколько значений N укладывается в 60000 импульсов, следующих в течение времени 0,ОТс с генератора 3, то есть осуществляется операция деления 60000/N и результат записывается в счетчиках на DD3.

Таким образом предложенное устройство позволяет повысить точность

измерения частоты пульса за счет ис- ключений аномальных значений, возникающих в условиях воздействия артефактов, что особенно важно при осреднении результатов измерений за определенный промежуток времени или за определенное число периодов пульса, когда аномальные значения ритма сердца могут в значительной степени исказить результат измерения. 1

Положительный эффект от использования изобретения выражается в повышении объективности контроля состояния сердечно-сосудистой системы человека и животного.

Формула изобретения

Измеритель частоты пульса, содержащий последовательно соединенные датчик пульса, формирователь импульсов и генератор, а также счетчик и первый регистр, соединенный с индикатором, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения за счет уменьшения влияния артефактов, в него введены делитель,

счетный вход которого соединен с выходом генератора,а выход - со счетным входом счетчика, первый блок логических ключей, выходы которого соединены с входами первого регистра, формирователь импульсов сброса, первый выход которого соединен с входом сброса делителя, а второй выход - с

0 входами начальной установки делителя и счетчика, последовательно соединенные элемент задержки и элемент И и последовательно соединенные второй блок логических ключей, второй ре5 гистр, цифровой компаратор, вторые входы которого подключены к сигнальным входам первого и второго блоков логических ключей и выходу счетчика, и элемент ИЛИ-НЕ, выход которого сое0 динен с вторым входом элемента И, выход которого подключен к входу управления первого блока логических ключей, при этом вход элемента задержки соединен с входом управления

5 второго блока логических ключей, с входом формирователя импульсов сброса и с первым входом формирователя импульсов, второй выход которого сое- динен с входом установки делителя.

Измеритель частоты пульса относится к медтехнике и содержит датчик 1 пульса, формирователь 2 импульсов, генератор 3, счетчик 4, регистры 5, 13, индикатор 6, делитель 7, блоки 8, 12 логических ключей, формирователь 9 импульсов сброса, элемент 10 задержки, элемент И 11,цифровой компаратор 14, элемент ИЛИ-НЕ 15. 5 ил.