Имитатор кардиосигналов Советский патент 1980 года по МПК A61B5/02 A61H31/00 

(54) ИМИТАТОР КАРДИОСИГНАЛОВ

Изобретение относится к медицине, а именно к кардиологическим устройствам и может быть использовано для настройки и испытаний электрокардиостимуляторов, а также для проверки работы биоуправляемых электрокардиостимуляторов в уелоВИЯХ клиники. Известен имитатор кардиосигналов, содержащий генератор ритма, схему задержки и схему формирования электрокардиоимпульсов 1. Однако известный имитатор кардиосигналов не обеспечивает формирования сигналов, параметры которых зависят от амплитуды и временного положения стимулирующих импульсов, и поэтому не может быть использован для настройки, испытаний и проверки работы биоуправляемых электрокардиостимуляторов. Целью изобретения является обеспечение возможности настройки и испытаний биоуправляемых электрокардиостимуляторов путем формирования сигналов, имитирующих электрокардиосигнал и сигнал давления крови при учащающей и урежающей электростимуляций сердца. Цель достигается тем, что в имитатор введены резистивный эквивалент сердца, компаратор, сумматор и формирователи систолического интервала, кривой возбудимости и сигнала давления, причем схема задержки включена между сумматором и формирователем систолического интервала, выход которого подключен ко входам генератора ритма и схемы формирования электрокардиоимпульсов, выходы которых соединены соответственно с управляющим входом v резистивного эквивалента сердца и с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу компаратора, первый вход которого соединен с выходом резистивного эквивалента сердца, а второй вход соединен со входом формирователя сигнала давления и черех ф рмирователь кривой возбудимости.- с выходом формирователя систолического интервала. На фиг. Г изображена блок-схема имитатора кардиосигналов; на фиг. 2 - схема резистивного эквивалента сердца; на фиг: 3структурная схема генератора ритма; на фиг. 4 - схема формирователя кривой возбудимости; на фиг. 5 - схема формирователя сигнала давления; на фиг. 6 - условные

временные диаграммы сигналов на выходах отдельных блоков.. .

Имитатор кардиосигналов подключается к электрокардиостимулятору 1 и содержит (фиг. 1)1 резистивный эквивалент 2 сердца, компаратор 3, сумматор 4, схему 5 задержки, формирователь 6 систолического интервала, генератор 7 ритма, схему 8 формирования электрокардиоимпульсов, формирователь 9 кривой возбудимости, формирователь 10 сигнала давления.

Резистивный эквивалент сердца (фиг. 2) состоит из параллельно соединенных конденсатора 11, резистора 12 и делителя напряжения, включающего резисторы 13, 14 и 15. Эквивалент 2 сердца имитирует эквивалентное сопротивление сердца для стимулирующих импульсов и отражает процессы поляризации миокарда стимулирующими импульсами.

-Генератор ритма (фиг. 3) состоит из переключателя 16, сумматора 17, генератора 18 пилообразного напряженй я, компаратора 19. С помощью переключателя 16 изменяется состояние сердца. Так, в случае имитации кардиосигналов при синусовом ритме, когда на источник сердечного ритма стимулирующие импульсы не оказывают влияния, переключатель 16 должен находиться в разомкнутом положении. Для имитации желудочкового ритма этот ттереключатель переводится в замкнутое положение.

Формирователь кривой возбудимости (фиг. 4) содержит диод 20 и резистор 21 для зарядки конденсатора 22 и резистор 23 -для .разрядки его до напряжения на выходе потенциометра 24, с помощью которого регулируется порог возбудимости миокарда.

Формирователь сигнала давления (фиг. 5 состоит из дифференцирующей RC-цепочки, включающей резистор 25 и конденсатор 26, усилителя-ограничителя с ограниченной полосой пропускания, который вьшолнен на операционном yc литeлe 27, диоде 28, конденсаторе 29 и резисторах 30, 31, 32, из пикового детектора, выполненного на диоде 33 и конденсаторе 34, И сумматора, который выполнен на резисторах 35, 36, 37.

Формирователь систолического интервала выполнен в виде одновибратора на биполярном и полевом транзисторах и содержит дополнительную интегрирующую RC-це Пбчку, которая позволяет обеспечить зависимость длительности импульсов одновибратора от периода входных импульсов, близкую к зависимости длительности систолы желудочка сердца от длительности сердечного цикла. Однови5ратор является предметом самостоятельного изобретения.

Имитатор кардиосигналов работает следующим образом.

При отсутствии стимулирующих импульсов генератор 7 формирует импульсы с постоянным периодом (фиг. 6 в). Импульсы с выхода этого генератора через сумматор 4

738603

поступают на схему 5, которая задерживает импульсы на время, равное длительности латентного периода сердца, составляющее несколько миллисекунд, например 10. С выхода схемы 5 импульсы поступают на формирователь 6, длительность импульсов на выходе которого (фйг. 6д) при данной частоте импульсов генератора ритма на 20- 40 мс меньще длительности электрической систолы сердца при той же частоте сердечного ритма, вычисляемой, например, по формуле:

Тсиет 0,383Vf , где Теист - длительность электрической систолы;

Т - длительность сердечного цикла.

С выхода формирователя 6 импульсы поступают на входы генератора 7, схемы 8 и формирователя 9.

От пе реднего фронта импульсов формирователя 6 на выходе схемы 8 формируются треугольные импульсы, имитирующие QRSкомплекс, и затем начало импульса, имитирующего Т-зубец ЭКГ, а от заднего фронта импульса - задний фронт Т-зубца ЭКГ. В большинстве случаев в настоящее время сердце стимулируют с помощью эндокардиальных электродов, в связи с чем схема 8 формирует импульсы, имитирующие внутриполосную электрокардиограмму: R-зубец отрицательной полярности и Т-зубец положительной полярности с поднятым сегментом Т (фиг. бе). С выхода схемы 8 через эквивалент 2 сердца, который уменьшает амплитуду импульсов до величин, соответствующих реальным значениям амплитуд кардиоимпульсов внутриполостной ЭКГ, и практически не искажает форму импульсов, электрокардиографический сигнал (фиг. 6 а) поступает на вход электрокардиостимулятора 1.

За время действия импульса формирователя 6 конденсатор 22 (фиг..4) формирова.теля 9 заряжается с постоянной времени, величина которой составляет, например, 100 мс, и по окончании импульса формирователя 6 разряжается через резистор 23 до напряжения на потенциометре 24 (фиг. 6 ж). Форма заднего фронта импульсов на выходе формирователя 9 имитирует изменение кривой возбудимости желудочков сердца во время диастолы:

С выхода формирователя 9 сигнал поступает на входы компаратора 3 и формирователя 10. В последнем происходит дифференцирование сигнала формирователя 9 с помощью цепочки, срстоящей из резистора 25 и конденсатора 26 (фиг. 5). При превыщении продифференцированным сигналом (фиг: 6з) напряжения ограничения Uo, определяемого величинами резисторов, положительный сигнал с выхода усилителя 27 через диод 28 поступает на выход формиррвателя сигнала давления в качестве сигнала Давления в желудочке сердца (фиг. 6 и). Сигнал aptepиaдьйoгo давления формируется суммированием сигнала на выходе пикового детектора, выполненного на диоде 33 и конденсаторе 34, и сигнала желудочкового давления (фиг. 6к).

Выход формирователя 10 подключается ко входу электрокардиостимулятора 1, если в нем производится анализ и кривой давления крови.

Импульс с выхода электрокардиостимулятора I через эквивалент 2 сердца поступает на вход компаратора 3. Благодаря наличию цепочки, состоящей из конденсатора 11 и резистора 12 (фиг. 4), имитируются как комплексное сопротивление сердца для стимулирующих импульсов процессы поляризации миокарда, выражающиеся в наличии в электрокардиографическом сигнале экспоненциальных выбросов обратной полярности после стимулирующих импульсов (фиг. 6 а), так и свойство сердца реагировать на величину тока, а не напряжения стимулирующих импульсов при данном комплексном сопротивлении сердца.

Если амплитуда стимулирующих импульсов меньще порогового значения, которое определяется величиной сигнала на выходе формирователя 9, то стимулирующий импульс (импульс И1 на фиг. 6 а) не влияет на работу сердца и соответственно имитатора кардиосигналов и следующий желудочковый комплекс будет сформирован после достижения сигналом (фиг. 66) на выходе генератора пилообразного напряжения генератора 18 (фиг. 3), напряжения срабатываНИИ компаратора 19 (фиг. 3) и формирования импульсов на выходе генератора 7 (фиг. 6 в).

При формировании стимулирующих импульсов в средней или конечных фазах диастолы с амплитудой выще пороговой возникают импульсы на выходе компаратора 3, которые черезсумматор 4 и схему 5 поступают на вход формирователя 6, в результате чего формируются импульсы на выходе этого формирователя, комплекс импульсов на выходе схемы 8, импульсы сигнала давления на выходе формирователя 10.

Рассмотрим случай урежающей электро,кардиостимуляции желудочков сердца, при

которой стимулирующие импульсы наносятся на сердце в период относительной рефрактёрности, располагающейся в конце электрической систолы, и вызывают электрическое возбуждение миокарда, не сопровождающееся механическим сокращением сердечной

мышцы.

При формировании стимулирующего импульса с амплитудой пороговой в конечной фазе систолы (импульсы И2 и ИЗ на фиг. 6 а) возникают импульсы на вьгходе компаратора 3 (фиг. 6 г), которые через сумматор 4 и схему 5 поступают на вход формирователя 6 и вызывают формирование импульсов на его выходе. С выхода этого формирователя импульсы направляются на

вход схемы 8, на выходе которой формируются, R- и Т-импульсы (фиг. бе), суммирующиеся в эквиваленте 2 сердца с сигналом поляризации миокарда (фиг. 6а). Кроме того, импульсы с выхода формирователя 6 поступают на вход формирователя 9 и вызывают новое повыщение напряжения на его выходе. Поскольку напряжение на выходе формирователя 9 не успело значительно уменьщиться после окончания предыдущего импульса формирователя 6 (фиг. 6 ж), первая производная переднего фронта нового повыщения напряжения формирователя 9 имеет значительно меньщую величину, в результате чего сигнал на выходе дифференцирующей цепочки (фиг. т 6з) формирователя 10 не достигает уровня ограниченияусилителя 27 (фиг. 5) и сигналы увеличения желудочкового (фиг. 6 и) и артериального (фиг. 6 к) давлений не формируются.

При имплантации случая синусового ритма переключатель 16 (фиг. 3) разомкнут и генератор 7 формирует импульсы с постоянной частотой, как это изображено на фиг. 66, в, независимо от работы остальных блоков. Очередной после нанесения стимулирующего импульса И2 импульс генератора 7 будет сформирован во время действия импульса формирователя 6 и не повлияет на его работу. Следующий импульс этого генератора вызовет формирование собственного желудочкового электрокардиографического комплекса (фиг. 6 а, е) схемой 8 и импульсов давления (фиг. 6 и, к) формирователем 10. При имитации желудочкового ритма переключатель 16 (фиг. 3) генератора 7 замкнут и передний фронт импульса формирователя 6 вызовет сброс генератора 18, в результате чего удлинится период между импульсами генератора 7 и все импульсы его будут вызывать формирование R- и Т-зубцов и сигнала давления.

В результате воздействия импульсов эЛектрокардиостимулятОра 1 на имитатор кардиосигналов в конечной фазе систолы с амплитудой выще пороговой каждый второй желудочковый комплекс электрокардиограммы не сопровождается увеличением сигналов желудочкового и артериального давлений, в результате чего частота импульсов формирования давления уменьшается (при имитации синусового ритма вдвое).

Таким образом, предлагаемый имитатор кардиосигналов обеспечивает формирование имЛульсов электрокардиографического сигнала и сигналадавления крови, временное положение которых зависит от временного положения и амплитуды стимулирующих импульсов, электрокардиографического сигнала и сигнала давления крови сердца при учащающей и урежающей электростимуляции сердца при различных его состояниях, в связи с чем предлагаемый имитатор обеспечивает возможность настройки и испытаний биоуправляемых электрокардиостимуляторов при их производстве и ремонте и проверке работоспособности в клинических условиях без подключения электрокардиостимулятора к сердцу живого организма.

Формула изобретения Имитатор кардиосигналов, содержащий rieiiep§TOp ритма, схему задержки и схему формирования электрокардиоимпульсов, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности настройки и испытаний биоуправляемых электрокардиостимуляторов путем формирования сигналов, имитирующих электрокардиосигнал и сигнал давления крови при учащающей и урежающей электростимуляции сердца, в него введены резистивный эквивалент сердца, компаратор, сумматор и формирователи систолического интервала, кривой возбудимости и сигнала

8

давления, причем схема задержки включена между сумматором и формирователем систолического интервала, выход которого подключен ко входам генератора ритма и схемы формирования электрокардиоимпульсов, выходы которых соединены соответственно с управляющим входом резистивного эквивалента сердцам с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу

компаратора, первый вход которого соединен с выходом резистивного эквивалента сердца, а второй вход соединен со входом формирователя сигнала давления и через формирователь кривой возбудимости - с выходом формирователя систолического интервала;

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 562274, кл. А 61 В 5/02, 1977 (прототип).

От схемы формироёания JffeKmpoHupffuouMnt/flbcoS

/J

i/4 /f компарат

{2

|Г Н эл&ктрокарЗио-

fcf

(.3

Вход 20 21

( Выход Фиг Л

Л

п

Jf

п

J1

S

li

А

/

Фиг.б