Устройство для вычисления биологических ритмов Советский патент 1982 года по МПК A61B5/05 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ

1

Изобретение относится к применению вычислительных устройств при биологических и медицинских исследованиях, в частности при исследовании различных процессов, имеющих периодический жрактер изменения с заранее известным периодом для определения акрофазы, амплитуды и среднего уровня, эти устройства могут применяться также во всех научных и лечебных учреждениях, проводящих ритмологические и хронобиологические исследования циркадных, годовых, месячных и других периодических процессов, кроме того, они могут быть использованы и в другихобластях науки и техники при исследовании различных процессов с известным периодом изменения.

Известно устройство для расчета биоритмов жизнедеятельности организма, содержашее счетчик времени для отсчета дней, месяцев и лет, генератор импупь сов, три счетчика емкостью 23, 28 и 33 для построения кривыхС.

РИТМОВ

Однс1ко это устройство не позволяет зафиксировать суточный биоритм.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, включающее электронную ЕЫчислительную машину, содержащую генератор синхросигналов, блок ввода данных, арифметический блок, блок памяти и блок управления 2 .

Выявление скрытой периодичности и исследование ее параметров на электронных вычислительных машинах производится с применением различных математикостатистических методов. Наиболее традиционно распространенные из.них методы, базирующиеся на использовании корреляционной функции и спектральной плотности, методь гармонического анализа, различные аппроксимационные и резонанснопоисковые методы.

Хронобиологические исследования показали, что большинство биологических периодических процессов хорошо могут быть описаны синусоидальной функцией. В такой постановке задача сводится к оцениванию неизвестных параметров М (мезрр-среднее значение), А (амплитуда и f (акрофаза) на основе данных временного ряда. Для решения указанной задачи используется метод так на.- тваемого косайноранализа, в соответг вии с которым аппроксимация исследуемого процесса косинусоидой производится методом наименьигах квадратов, а значения амплитуды и акрофазы с указанием их доверительных интервалов представляются в графической форме. Хотя эта методика успешно применяется при исследовании биологических ритмов, однако ее трудно реализовать на микро- и мини-ЭВМ, что затрудняет ее широкое внедрение в хронобиологических исслецованияк. Цель изобретения - повышение удобст ва эксплуатации устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее генератор синхросигналов, блок ввода данных исследуемого процесса, выход которого сое динен с первым входом вычислительного блока, управляющий вкоа которого поцключен к выходу генератора синхросигна лов, введены блок сдвига фазы и блок установки числа отсчетов, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входом блока ввода данных ис следуемого процесса и с вторым входом вычислительного блока, вход блока установки числа отсчетов соединен с выходом блока сдвига фазы, вход которого подключен к выходу генератора синхросигналов. Кроме того, в устройстве блок сдвига фазы содержит триггер, элементы НЕ, интеграторы, индикатор и триггер Шмидта, вход которого является входом блoкa а выход соединен с входами триггера и первого элемента НЕ, выход которого подключен через первый интегратор -к первому входу лндикатора, а через вто:рой элемент НЕ к входу второго ннте гратора, выход которого соединен с вторым вж)дом индикатора, выход триггера является выходом блока. Причем блок установки числа отсчетов содержит элементы И, ИЛИ, НЕ, одновибраторы, регистр, индикатор, счетчик и дешифратор, выход которого явлштся первым выходом блока, выходы счетчика соединены соответственно с информацион ными входами дешифратора и регистра, выходы которого подкшочеш, к входам индикатора, вход блока соединен с первым входом элемента ИЛИ и через элемент НЕ с входом первого одновибратора, выход которого подключен к входу регистра, к ь рвым входам счетчика и элемента И, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ,- выход которого соединен с входом второго одновибратора, первый вьсход которого соединен с вторым выходом блока, с входом дешифратора и с вторым входом счетчика, второй выход второго одновибратора соединен через третий одновибратор с вторым входом элемента И. При этом вычислительный блок содер- кит элементы И, ИЛИ, НЕ, интеграторы, индикаторы, широтно-импульсный модулятор и узел регулирования амплитуды и уровня синусоидального сигнала, вход которого является управляющим входом блока, а выход - соединен с первым входом широтно-импульсного модулятора, второй вход которого является вторым входом блока, первый вход которого соединен с первым входом первого элемента И и с входами первого элемента НЕ и первого интегратора, выход которого подключен к входу первого индикатора, ыл- ход широтно-импульсного модулятора соединен с первым входом второго элемента И и через второй элемент НЕ с вторым входом первого элемента И, выход первого элемента НЕ подключен к второму входу второго элемента И, выходы элементов И соединены соответственно с входами элемента ИЛИ, выход которого через второй интегратор подключен к входу второго индикатора. На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 схема блока сдвига фазы; на фиг. 3 - схема блока установки числа отсчетов; на фиг. 4 - схема блока ввода данных исследуемого процесса; на фиг. 5 - схема вычислительного блока. Устройство содержит генератор 1 синхросигналов, блок 2 сдвига фазы, блок 3 установки числа отсчетов, вычислительный блок 4, блок 5 ввода данных исследуемого процесса, триггер 6 Шмидта, триггер 7, элементы НЕ 8 и 9, интеграторы Ю и 11, индикатор 12, элемент ИЛИ 13, одновибраторы 14 и 15, элемент И 16, одновибратор 17, элемент НЕ 18, дешифратор 19, счетчик 20, регистр 21, индикатор 22, потенциометры 23 установки 1ачений, коммутатор 24, широтно-импульсный Модулятор 25, интегратор 26, индикатор 27, элемент НЕ 28, элементы И 29 и ЗО, элемент ИЛИ 31, интегратор 32, индикатор 33, узел 34 регулирования амплитуды и уровня синусоидального сигнала, широтно-импуль сный модулятор 35, элемент НЕ 36. В качестве критерия оценки приближения синусоиды к входным данным используется минимум суммы отклонений аппроксимирующей синусоиды от данных исследуемого процесса в моменты време ни, соответствующие моментам отсчетов Устройство работает следующим образом. Синусоидальный сигнал частотой 50 Гц поступает на триггер 6 блока 2 сдвига фазы. Передним фронтом выходного импульса триггера Шмидта по счетному входу работает триггер 7. Длительность импульса на выходе триггера 7 равна длительности периода синусоиды, т.е. равна 20 мск. При этом на одном периоде синусоиды имеется высокий уровень триггера, на следующем - низкий и т.д. В зависимости от уровня срабатывания триггера б Шмидта прямоугольные импульсы на выходе триггера 7 смещаются относительно нулевой фазы синусоиды. При срабатывании триггера Шмидта на нулевом уровне начало этого импульса совпадает с началом синусоиды. Им- пульсы с выхода триггера Шмидта дважды инвертируются элементами НЕ 8 и 9 выходы которых через интеграторы 10 и 11 поступают на клеммы индикатора со средним нулевым положением. При равен- стве импульсов (по длительности) на выходах элементов НЕ, что бывает при сра батывании триггера Шмидта на нулевом уровне, индикатор показывает фазу, равную нулю. При других уровнях срабатыва ния фаза отклоняется и о ее величине можно судить по отклонению стрелки индикатора. Выход блока 2 сдвига фазы через элемент ИЛИ 13 запускает одновибратор 14 блока 3 установки числа отсчетов. Задним фронтом одновибратора 14 запускается одновибратор 15, а задним фронтом одновибратора 15 через ; элемент И 16 и элемент ИЛИ 13 снова запускается одновибратор 14. Задним фронтом импульса с блока 2 сдвига фазы через элемент НЕ 18 запускается од новибратор 17, запрещающий элемент И 16. Импульсы одновибратора 14 отсчиты ваются в счетчике 20 и через регистр 21 выдаются на цифровой индикатор 22. Установка нуля счетчика 20 и прием в регистр 21 управляются импульсом одновибратора 17. Изменением длительности импульса одновибратора 15 можно добиться числа импульсов одновибратора 14, соответствующего необходимому числу отсчетов. Дещифратор 19 построен таким образом, что по отдельным каналам выдает импульсы, соответствующие разным моментам отсчетов. Эти импульсы поступают на коммутатор 24 блока 5, последовательно выдавая на вход широтно- импульсногю модулятора 25 напряжение со средних точек потенциометров 23, положение движка которых устанавливается в зависимости от величины данного отсчета исследуемого процесса. Модулятор -25 запускается от одновибратора 14 блока 3 установки числа отсчетов, а выход поступает в блок 4. Этот сигнал через интегратор 26 поступает на индикатор 27, показание которого пропорционально среднему значению (мезору) входных данных. По этому значению устанавливается уровень синусоиды в узле 34. Таким образом, синусоида, поступающая на вход узла 34, сеа аетса на некоторый уровень и поступает на вход широтно-импуЛьсного модулятора 35, запускаемыйимпульсами одновибратора 14. При помощи элементов НЕ 28 и 36, элементов И 29 и 30 и элемента ИЛИ 31 вырабатывак)тся импульсы, рав1Ш1е разности соответствующих во времени импульсов модулятора 35 и выхода блока 5, которые через интегратор 32 поступают на индикатор 33. Сдвигая фазу прямоугольного импульса блока 2 сдвига фазы относительно синусоиды блока 1 и изменяя напряжение синусоиды на входе модулятора 35, можно добиться минимального показания индикатора 33, что будет соотвеасгвовать наиболее подходящей фазе и амплитуде синусоиды, аппроксимирующей исследуемый процесс. Применение предлагаемого устройства позволяет повысить удобство эксплуатации. Формула изобретения 1. Устройство для вычисления биологических ритмов, содержащее генератор синхросигналов, блок ввода данных исследуемого процесса, выход которого соединен с первым входом вычислительного блока, управляющий вход которого подключен к выходу генератора синхросигналов, отличающееся тем, что, с целью Повьппения удобства эксплуатации, в него введешз блок сдвига фазы и блок установки числа отсчетов, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входом блока ввода данных исследуемого процесса и с вторым входом вычислительного блока, вход блока установки числа отсчетов соединен с выходом блока сдвига фазы, вход которого подключен к выходу генератора синхросигналов. 2. Устройство по п. 1, отличаю щее с я тем, что блок сдвига фазы содержит триггер, элементы НЕ, интеграторы, индикатор и триггер Шмидта, вход которого является входом блока, а выход соединен с входами триггера и первого элемента НЕ, выход которого подключен через первый интегратор к первому входу индикатора, а второй элемент НЕ к входу второго i-штегратора, выход которого соединен с вторым вхо- дом индикатора, выход триггера является выходом блока. 3. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок установки числа отсчетов содержит элементы И, ИЛИ, НЕ одновибраторы, регистр, индикатор, счет- чик и дешифратор, выход которого является первым выходом блока, выходы счет чика соединены соответственно с информационными входами дешифратора и регистра, выходы которого подключены к входам индикатора, вход блока соединен с тгервым входом элемента ИЛИ и через элемент НЕ с входом первого одновибра- тора, выход которого подключен к входу регистра, к первым входам счетчика и элемента И, выход которого соединен с вторым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с вкоцом второго одновибратора, первый выход которого соединен с вторым выходом блока, с входом дешифратора и г вторым входом счетчика, второй выход второго одновибратора соединен через третий одновибратор с вторым ВХОД01. элемента И. 4. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю1ц е е с я тем, что вычислительный блок содержит элементы И, ИЛИ, НЕ, интеграторы, индикаторы, ШИрОТНО-ИМПулЬС ЫЙ модулятор и узел регулирования ампли1уды и уровня синусоидального сигнала, вход которого является управляющим входом блока, а гыход - соециненс первым входом широтно-импульсного модулятора, второй вход которого явдяется вторым входом блока, первый вход которого соединен с первым входом первого элемента И и с входами первого элемента НЕ и первого интегратора, выход которого подключен к входу первого индикатора, выход широтно-импульсного модулятора соединен с первым входом второго элемента И и через второй элемент НЕ с вторым входом первого элемента И, выход первого элемента НЕ подключен к второму входу второго элемента И, выхо- ды элементов И соединены соответственно С входами элемента ИЛИ, выход которого через второй интегратор подключен к входу второго индикатора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Заявка Японии №54-3591, кл. Q06. F 15/42, А 61 В 5/00, опублик. 1979. 2.Чернышев М. К. Резонансно-поисковые вычислительные методы анализа скрытых колебательных процессов в живых системах. Теоретические и прикладные аспекты анализа временной организации биосистем, М., Наука, 1976, с. 11-35 (прототип).

Внил.1

/«

П

t

ft

в

ж

П

Л

I 1

я

п

Z9

ILLTf

If

/4

Вшх. Фиг.

гз

33

зг

.31

90