Устройство для измерения частоты сердечных сокращений Советский патент 1992 года по МПК A61B5/24 

Изобретение относится к области медицины и медицинской техники и может быть использовано в профилактических и лечебных целях, а также в спортивной медицине для сознательной коррекции и регуляции частоты сердечных сокращений.

В последнее время в СССР стала развиваться область медицины, использующая принципы биологической обратной связи.

при которых показатели параметров жизнедеятельности организма, такие, как частота сердечных сокращений (ЧСС), мышечная активность, электроэнцефалограмма и т.п., используются для проведения тренинга на их сознательную коррекцию и регуляцию.

Известно устройство для слежения за пульсом, которое может быть использовано для изменения ЧСС за счет изменения физической нагрузки. Устройство содержит датчик импульса, блок обработки сигнала с индикатором пульса, блок установки порогов, компаратор, световой и звуковой сигна- лизаторы выхода ЧСС за пороги. Это устройство неудобно, а в ряде случаев невозможно (при работе с детьми) использовать для направленного изменения ЧСС, не связанного с изменениями физической нагрузки, например, при аутотренинге на релаксацию.

Наиболее близкими к заявляемому по технической сущности является устройство для измерения ЧСС, содержащее электроды отведения, усилитель, формирователь, частотомер, соединенные последовательно, блок установки порогов ЧСС, компаратор, цифровой индикатор, источник звука и генератор частоты. Электрокардиосигналы с электродов усиливаются и подаются на формирователь стандартных прямоугольных импульсов, соответствующих R-зубцам электрокардиосигнала. Длительность между началами соседних импульсов, вычисленная с помощью частотомера, записывается в блок памяти, где она хранится до прихода следующего импульса. Из блока памяти сигнал поступает на блок цифровой индикации, где высвечивается мгновенное значение ЧСС в уд/мин, и компаратора. При выходе реальной ЧСС за пороги включается звуковой сигнал.

Известное устройство обладает следующими недостатками;

-трудно следить за изменениями ЧСС в пределах, ограниченных порогами, так как единственным индикатором является цифровой; при работе с детьми младшего возраста (5-7 лет) эта трудность становится непреодолимой;

-отсутствие звуковой сигнализации об изменениях ЧСС между порогами вынуждает постоянно концентрировать внимание на цифровом индикаторе, что неудобно, например, во время движения, а для детей младшего возраста невозможно;

-повышается психоэмоциональная напряженность при выходе ЧСС за пороги, что недопустимо в условиях саморегуляции.

Целью изобретения является повышение эффективности использования устройства в условиях саморегуляции частоты сердечных сокращений, особенно при работе с детьми младшего школьного и дошкольного возраста.

Поставленная цель достигается тем, что на цифровой индикатор выведено среднее значение ЧСС, для чего введены преобразователь интервала времени в количестве импульсов и блок усреднения, а индикация

мгновенной ЧСС осуществляется линейным светодиодным индикатором и изменением тона источника звука. Код для управления этими индикаторами получают за счет введения первого двоичного счетчика, первого параллельного регистра, цифро-аналогового преобразователя для преобразования величины ЧСС в постоянное напряжение, а также десятичного счетчика и блока установки порогов с линейно изменяющимся напряжением на выходе и второго параллельного регистра. Этот код поступает через дешифратор на линейный световой индикатор и через преобразователь код-частота на источник звука. Для индикации выхода ЧСС за пороги введен блок сигнализации со световым индикатором тревоги, причем связан он с формирователем импульса R-зубца для снижения психоэмоциональной напряженности в этот момент, и с преобразователем код-частота.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства; на фиг.2 - функциональная схема преобразователя интервала времени в количество импульсов; на фиг.З - функциональная схема блока установки порогов; на фиг.4 - функциональная схема блока тревожной сигнализации; на фиг,5 временные диаграммы.

Устройство содержит (фиг.1) электроды 1 и 2, усилитель 3, формирователь 4 импульса R-зубца, преобразователь 5 интервала времени в количество импульсов, блок 6 усреднения, блок 7 памяти, цифровой индикатор 8, первый двоичный счетчик 9 импульсов, первый параллельный регистр 10 памяти, цифро-аналоговый преобразователь 11 (ЦАП), компаратор 12, блок 13 установки порогов, десятичный счетчик 14 импульсов, второй параллельный регистр 15 памяти, дешифратор 16, линейный светодиодный индикатор 17, преобразователь 19 код-частота, источник 19 звука, блок 20 тревожной сигнализации, световой индикатор 21 тревоги, а также генератор 22 тактовых импульсов.

В свою очередь преобразователь 5 интерзала времени в количество импульсов

содержит (фиг.2) второй двоичный счетчик

23импульсов, третий параллельный регистр

24памяти, программируемый делитель 25 частоты и первый элемент И 26.

Блок 13 установки порогов содержит (фиг.З) электронный ключ 27, интегратор 28, инвертор 29, первый и второй делители 30 и 31 напряжения, сумматор 32 и источник 33 опорного напряжения.

Блок 20 тревожной сигнализации (фиг.4) включает третий и четвертый двоичные счетчики 34 и 35 импульсов, элемент ИЛИ 36, три элемента И 37, 38 и 39 и элемент НЕ 40.

Устройство работает следующим образом.

Электрокардиосигналы, снимаемые с электрода 1 и 2, наложенных на область грудной клетки, проходят через усилитель 3 и поступают на вход формирователя 4 импульсов R-зубца, в котором они калибруются по длительности и амплитуде, после чего подаются на первый вход преобразователя 5. Преобразователь 5 интервала времени в количество импульсов формирует на выходе ответ на каждый удар пульса пачку импульсов, число N которых равно мгновенной ЧСС в ударах/мин, а длительность пачки равна tn 0,234275 с. Для этого на его входы подаются импульсы с выходов генератора 22 тактовых импульсов: на второй вход с частотой fi 128 Гц, на третий вход - с частотой fa 32768 Гц, на четвертый вход - импульс длительностью tn 0,234375 с. Пачки из N импульсов подаются на первый вход блока 6 усреднения, на второй вход которого поступают импульсы с выхода формирователя 5. Блок 6 усреднения, выполненный на основе двоичных и двоично-десятичного счетчиков, делит каждую приходящую пачку импульсов на 2 (или на 4) и складывает пачки импульсов на Ni/2 и Мн-1/2, получая на информационном выходе на каждый 2-й (или 4-й) удар сердца двоично-десятичный

КОД, СООТВеТСТВуЮЩИЙ МСр.2 (ИЛИ Ncp.4). С

дополнительного выхода блока 6 усреднения поступают импульсы записи с частотой, соответственно, в 2 или 4 раза меньшей ЧСС. С выходов блока 6 усреднения сигналы поступают на блок 7 памяти, выполненный в виде регистра и дешифратора. Таким образом, на выходе блока 7 имеется трехраз- рядный семисегментный код, соответствующий средней ЧСС, который подается на цифровой индикатор 8 и обновляется каждые 2 или 4 удара сердца. С выхода преобразователя 5 пачка из N импульсов подается на счетный вход первого двоичного счетчика 9 импульсов, на вход сброса которого подаются импульсы с выхода формирователя 4. На выходе счетчика 9 - код, соответствующий мгновенной ЧСС, который подается на информационные входы первого параллельного регистра 10, на вход записи которого подаются импульсы с выхода формирователя 4. С выхода первого параллельного регистра 10 на вход ЦАП 11 подается код, соответствующий мгновенной ЧСС и обновляющийся на каждый удар

пульса. В ЦАП 11 этот код преобразуется в постоянное напряжение, величина которого пропорциональна мгновенной ЧСС (точка а на временной диаграмме фиг.5). Это напряжение подается на вход компаратора 12. На вход сравнения компаратора 12 подается с выхода блока 13 установки порогов пилообразное напряжение частотой 100 Гц, изменяющееся до значения, соответствую0 щего нижнему порогу ЧСС, до значения, соответствующего верхнему порогу ЧСС (точка б на временной диаграмме фиг.5). Частота 100 Гц задается десятичным счетчиком 14 импульсов, на счетный вход которого

5 подаются импульсы частотой 1 кГц с пятого выхода генератора 22 тактовых импульсов. При коде 10 на выходе счетчика 14, в нем вырабатывается импульс переноса, подаваемый на вход блока 13 установки порогов.

0 Напряжение на выходе компаратора 12 представлено на временной диаграмме фиг.5 (точка в). Из диаграммы видно, что при значении ЧСС, не выходящем за пределы порогов, величина ЧСС вырабатывается в

5 широтной импульсной модуляции напряжения на выходе компаратора 12. Задний фронт широтно-модулированных импульсов является импульсом записи во второй параллельный регистр 15, на информацион0 ные входы которого подан изменяющийся с частотой 1 кГц код со счетчика 14. Таким образом, широтно-импульсная модуляция преобразуется в код, который в дешифраторе 16 преобразуется в номер светодиода

5 линейного светодиодного индикатора 17, состоящего из 10 светодиодов и показывающего относительное значение текущего пульса в пределах от нижнего до верхнего порогов. На соответствующий светодиод

0 подается напряжение зажигания. С увеличением ЧСС в пределах порогов на индикаторе 17 зажигается все более верхний светодиод, причем самый верхний светодиод соответствует верхнему порогу, а самый

5 нижний - нижнему. Тот же код с выхода регистра 15 подается также на информационный вход преобразователя 18 код-частота, на сигнальный вход которого подаются импульсы частотой 16 кГц с четвертого вы0 хода генератора 22 тактовых импульсов. На выходе преобразователя 18 частота импульсов пропорциональна коду на информационном входе, т.е. высота тона звукового сигнала источника звука 19 повышается с

5 увеличением ЧСС. Если величина ЧСС выходит за пределы порогов, линейный светодиодный индикатор 17 отключается. Для определения факта выхода за установленные пороги на первый вход блока 20 тревожной сигнализации подаются сигналы с

выхода компаратора 12, а на второй вход- с выхода переноса десятичного счетчика 14. При этом на третий вход блока 20 подается сигнал ЧСС с выхода формирователя 4. Если текущая ЧСС находится в пределах порогов, то с выхода компаратора 12 на первый вход блока 20 приходят импульсы с частотой следования 100 Гц. Если ЧСС выходит за один из порогов, то сигнал на первом входе превращается в постоянный уровень, соответствующий логической 1 (при выходе за верхний порог) или логическому О (при вы- ходе-за нижний). При этом сигналы с третьего входа проходят на первый выход или на второй выход и на третий выход. С первого и второго выходов сигнал поступает на световой индикатор 21 тревоги, который выполнен в виде двух светодиодов, одни из которых начинают мигать с частотой, равной ЧСС. С третьего выхода сигнал поступает на управляющий вход преобразователя 18 код-частота и прерывает звуковой сигнал соответствующего тона с частотой, равной ЧСС.

Преобразователь 5 интервала времени в количество импульсов (фиг.2) работает следующим образом.

На счетный вход второго двоичного счетчика 23 подаются импульсы с частотой f 1 с первого выхода генератора 22 тактовых импульсов. На выходы сброса счетчика 23 и записи третьего параллельного регистра 24 памяти подаются импульсы с формирователя 4. На первый вход элемента 26 И с выхода генератора 22 подаются импульсы частотой f2, а на второй - импульс, длительность которого равна времени пересчета tn с третьего выхода генератора 22. Счетчик 23 в интервале между импульсами формирователя 4 считает от 0 с частотой f 1. По импульсу R-зубца информация со счетчика 23 переписывается в третий параллельный регистр 24, а сам счетчик обнуляется. После этого программируемый делитель 25 частоты, работающий как счетчик на вычитание, вычисляет, сколько раз число, записанное в регистре 24, укладывается в интервале времени пересчета tn, если считать с частотой f2. При этом импульсы с частотой f2 подаются на счетный вход делителя 25, а на его вход предустановки подаются импульсы с его же выхода заема, являющиеся и выходными сигналами блока 5. Код на выходе регистра

24определяется следующим соотношением n T-fi, где Т - время R - R интервала, а количество импульсов на выходе делителя

25можно определить по формуле:

м f2 tn h tn

NJ

nТ f 1

Выбрав f 1 128 Гц, a f2 32768 Гц и зная, что интервалу Т 1с должно соответствовать N 60 уд/мин, вычисляем время пересчета tn 0,234375 с. Сформировав импульс

такой длительности на третьем выходе генератора 22, получаем преобразователь времени R - R интервала в количество импульсов, равное числу ударов сердца в минуту.

0 Блок 13 установки порогов (фиг.З) работает следующим образом.

На вход интегратора 28 подано постоянное опорное напряжение от источника 33. На его выходе вырабатывается линейно на5 растающее напряжение, которое с помощью электронного ключа 27 с частотой 100 Гц, подаваемой с выхода переноса счетчика 14, сбрасывается в ноль. Полученное пилоообразное напряжение инвертируется

0 с помощью первого инвертора 29. Обе пилы с выхода инвертора 29 и интегратора 28 подаются на соответствующие делители напряжения 30 и 31. Это потенциометры, на оси которых надеты лимбы, оцифрованные

5 в значениях ЧСС. С помощью потенциометров значению заданного порога ЧСС ставится в соответствие амплитуда пилообразного напряжения. С делителей 30 и 31 эти напряжения поступают на сумматор 32, на выходе

0 которого получаем пилообразное напряжение, нижний уровень которого соответствует нижнему порогу, а амплитуда - разности между верхним и нижним порогом.

Блок 20 тревожной сигнализации (фиг.4)

5 работает следующим образом.

На счетные входы третьего и четвертого двоичных счетчиков 34 и 35 подаются импульсы частотой ЮОТц с выхода переноса десятичного счетчика 14, На вход сброса

0 третьего двоичного счетчика 34 подается сигнал с выхода компаратора 12, а на вход сброса, четвертого двоичного счетчика 35 - этот же сигнал, проинвентированный с помощью элемента 40 НЕ. Если значение те5 кущей ЧСС находится в пределах порогов, то на каждый счетный импульс приходит импульс сброса и на выходе обоих счетчиков 34 и 35 (соответствующих делению частоты на 4) сохраняется уровень логического О,

0 Если же текущая ЧСС выходит, например, за верхний порог, то на выходе компаратора 12 устанавливается уровень логической 1 и пропадают импульсы на входе сброса счетчика 35. Счетчик досчитывает до появления

5 на выбранном выходе уровня логической 1, и сам себя останавливает при помощи обратной связи, поданной на вход разрешения счета. Появившийся на его выходе сигнал разрешает прохождение сигнала с выхода формирователя 4 на соответствующий светодиод светового индикатора 17 тревоги и на преобразователь 18 код-частота через элементы коммутации 36, 37, 38 и 39.

Устройство для измерения ЧСС значительно повышает наглядность и удобство представления информации об изменениях ЧСС за счет применения линейного светового индикатора, на котором изменения ЧСС представлены в виде перемещающегося светового зайчика, а также за счет изменения тональности звука, что позволяет использовать его для регуляции ЧСС у детей. Применение в качестве тревожной сигнализации прерывистого звукового и светового сигнала активизирует внимание при выходе ЧСС за пороги, причем уровень психоэмоционального напряжения не превышается, так как прерывание звука и света происходит с частотой сердечных сокращений.

Испытания устройства при регуляции ЧСС для выработки правильного дыхания при бронхиальной астме у детей показали, что скорость приобретения навыков регуляции ЧСС значительно увеличивается по сравнению с применением устройства-прототипа.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения частоты сердечных сокращений, содержащее последовательно соединенные усилитель, к входам которого подключены два электрода, и формирователь импульса R-зубца, последовательно соединенные блок памяти и цифровой индикатор, компаратор, вход сравнения которого подключен к выходу блока установки порогов, генератор тактовых импульсов и источник звука, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности использования устройства в условиях саморегуляции частоты сердечных сокращений, особенно при работе с детьми младшего школьного и дошкольного возраста, оно дополнительно содержит последовательно соединенные первый двоичный счетчик импульсов, вход сброса которого соединен с выходом формирователя импульса R-зубца, первый параллельный регистр памяти, вход записи которого подключен к входу сброса первого двоичного счетчика импульсов, и цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с входом компаратора, последовательно соединенные десятичный счетчик импульсов, второй параллельный регистр памяти, вход записи которого подключен к выходу компаратора, дешифратор и линейный светодиодный индикатор, последовательно соединенные преобразователь интервала времени в количестве импульсов, первый вход которого подключен к выходу формирователя импульса R-зубца, а второй, третий и четвертый входы подключены к первому, второму

и третьему выходам генератора тактовых импульсов, и блок усреднения, второй вход которого подключен к выходу формирователя импульса R-зубца, а информационный выход соединен с информационным входом

0 блока памяти, вход записи которого подключен к дополнительному выходу блока усреднения, преобразователь код - частота, выход которого соединен с источником звука, а информационный вход подключен к

5 выходу второго параллельного регистра памяти, световой индикатор тревоги и блок тревожной сигнализации, первый вход которого подключен к выходу компаратора, второй вход соединен с выходом переноса

0 десятичного счетчика импульсов и входом блока установки порогов, третий вход подключен к выходу формирователя импульса R-зубца, первый и второй выходы соединены соответствующими входами светового

5 индикатора тревоги, а третий выход подключен к входу управления преобразователя код - частота, сигнальный вход которого соединен с четвертым выходом генератора тактовых импульсов, пятый выход которого

0 подключен к счетному воду десятичного счетчика импульсов.

2.Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что преобразователь интервала времени в количество импульсов содержит по5 следовательно соединенные второй двоичный счетчик импульсов, третий параллельный регистр памяти и программируемый делитель частоты, а также первый элемент И, первый и второй входы которого

0 являются третьим и четвертым входами преобразователя, а выход соединен со счетным входом программируемого делителя частоты, выход которого подключен к его же входу предустановки и одновременно является

5 выходом преобразователя, вторым входом которого является счетный вход второго двоичного счетчика импульсов, а первый вход преобразователя подключен к входу сброса второго двоичного счетчика импуль0 сов и входу записи третьего параллельного регистра памяти.

3.Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что блок установки порогов содержит последовательно соединенные источ5 ник опорного напряжения, интегратор, инвертор, первый делитель напряжения и сумматор, выход которого является выходом блока, а также электронный ключ, установленный параллельно интегратору, и второй делитель напряжения, установленный между выходом интегратора и вторым входом сумматора, при этом вход управления электронного ключа является входом блока установки порогов.

4. Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что блок тревожной сигнализации содержит элемент НЕ, второй и третий двоичные счетчики импульсов, элемент ИЛИ и второй, третий и четвертый элементы И, выходы которых являются соответственно первым, вторым и третьим выходами блока, первый вход блока подключен к входу сброса второго двоичного счетчика импульсов непосредственно и к входу сброса третьего

0

5

двоичного счетчика импульсов через элемент НЕ, второй вход блока подключен к счетным входам второго и третьего двоичных счетчиков импульсов, третий вход блока соединен с первыми входами второго, третьего и четвертого элементов И, выход второго двоичного счетчика импульсов соединен с его входом разрешения счета, первым входом элемента ИЛИ и вторым входом второго элемента И, выход третьего двоичного счетчика импульсов соединен с его входом разрешения счета, вторым входом третьего элемента И и вторым входом элемента ИЛИ, выход которого подключен к второму входу четвертого элемента И.

Устройство для измерения частоты сердечных сокращений позволяет повысить эффективность использования устройства в условиях сосморегуляции частоты сердечных сокращений (ЧСС), особенно при работе с детьми младшего школьного и дошкольного возраста. Электрокардиосиг- нал снимается электродами 1 и 2, проходит усилитель 3 и формирователь импульса R- зубца, выходные сигналы которого поступают на преобразователь 5 интервала времени в количестве импульсов, блок 6 усреднения, блок 20 тревожной сигнализации со световым индикатором 21 тревоги, первый двоичный счетчик 9 импульсов и первый параллельный регистр 10 памяти. Блок 7 памяти с цифровым индикатором 8 дают возможность измерять усредненное значение ЧСС в цифровом виде. Канал, содержащий цифро-аналоговый преобразователь 11, компаратор 12, второй параллельный регистр 15 памяти, дешифратор 16 и линейный светодиодный индикатор 17, дает возможность наблюдать отклонение ЧСС от заданных верхнего и нижнего порогов блоком 13 установки порогов. Одновременно осуществляется звуковой контроль преобразователем 18 код-частота и источником 19 звука. При выходе ЧСС за заданные пределы срабатывает блок 20 тревожной сигнализации. Блок 14 - десятичный счетчик импульсов. Общая синхронизация работы устройства осуществляется генератором 22 тактовых импульсов. 3 з.п.ф-лы, 5 ил. (Л ч

Фие.1

Фиг. г

От 5л. tt

Фиг.З

фиг. 4

№l

фиг.5