Устройство для измерения ритма сердца

,87. Бюл. У градский эл ут им. В.И(21) 3926 (22) 10.0 (46) 23,0 (71) Лени 3ктротехничесУльянова (Лести Ульяниц ство СССР 2, 1976.(57)мересокрного и, Дасовместную частичных ентов и обначено для изи частотыиях повышенных активно ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ нина)(56) Авторское свидетельВ 661383, кл. А 61 В 5/ОАмромин С.Д, Пайков Юбинский В.А. Прибор длякой обработки результатосердечной деятельности св процессе тренировки. Сметоды в спортивной тренперименте. Материалы к,Внаучно-методической конф1969, с. 68,УСТРОЙСТВО ДЛЯ И Изобретение преднаия кардиоинтервалощения сердца в условуровня помех,вызва двигательной деятельностью. Цель изобретения - повышение помехозащищенности. Устройство содержит генератор 1, формирователь 2,счетчики 3 и 7 импульсов, сдвиговый регистр 4, арифметический блок 5, дешифратор 6, элемент ИЛИ 8, регистр 9 хранения, элемент И 11 и блок 10 индикации.Формирователь импульсов 2 содержит четыре триггера, элемент И и сдвиговый регистр, а блок 5 - комбинационный сумматор и параллельно включенные коммутаторы. На вход формирователя поступает последовательность импульсов, синхронных с сокращениями сердца (ритмограмма), при этом помехи образуют случайную последовательность импульсов. Счетчик 3 осуществляет измерение кардиоинтервалов с; которые заносятся в регистр 4 ввиде числа п. Арифметический блок вычис 1ляет частичные суммы Ялее устроиство формируетгистограмму распределениясумм. Введение новых элем1284512 10 го 25 40 раас.вацие ноныхнязгй между элементами устройства позволяет за счетсовместной обработки ряда последовательных интервалов между импульсамиритмограммы повысить помехоустойчиИзобретение относится к технике спортивных и медицинских измерений, а именно к устройствам для измерения кардиоинтервалов и частоты сокращения сердца человека в условиях повышенного уровня помех, вызванных активной двигательной деятельностью.Целью изобретения является повышение помехозащищенности.На фиг.1 приведена структурная электрическая схема устройства, на фиг, 2 - структурная электрическая схема формирователя импульсов, на 4 иг.З - структурная электрическая схема арифметического блока,на фиг,4- 8 даны структурные электрические схемы предпочтительного варианта выполнения соответственно формирователя импульсов, комбинационного сумматора, коммутатора, второго счетчика импульсов и его счетной ячейки; на фиг. 9 и 10 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие работу соответственно арифметического блока и формирователя импульсов.Устройство для измерения ритма сердца содержит последовательно соединенные генератор 1 импульсов,формирователь 2 импульсов, первый счетчик 3 импульсов, сдвиговый регистр 4, арифметический блок 5, дешифратор 6, второй счетчик 7 импульсов, второй вход которого подключен к второму выходу формирователя 2 импульсов, а третий вход - к второму выходу арифметического блока 5, элемент ИЛИ 8, регистр 9 хранения, первый вход которого также подключен к четвертому входу второго счетчика 7 импульсов, а вторые входы подключены поразрядно к входам элемента ИЛИ 8, блок 10 индикации ц элемент И 11, первый вход которого соединенос вторым Выходом Генератора 1 импуль сов, а второй вход и ныхсл - слотвость измерения ритма сгрдца црц нысоком уровне помех, что увелцчцваетдиагностическую информативность результатов измерения, 2 з.п. ф-лы10 ил. ветственно с вторым выходом и вторым входом первого счетчика 3 импульсов, причем второй вход формирователя 2 импульсов подключен к входной шине устройства, третьи входы подключены поразрядно к вторым входам арифметического блока 5, а четвертый выход - к второму входу сдвигового регистра 4.Формирователь 2 импульсов (фиг.2) содержит последовательно соединенные первый триггер 12, первый вход которого является вторым входом формирователя 2 импульсов, второй триггер 13, выход которого является четвертым выходом формирователя 2 импульсов, третий триггер 14, четвертый триггер 15, элемент И 16,второй вход которого соединен с вторыми входами второго триггера 13 и третьего триггера 14 и является первым входом формирователя 2 импульсов, и сдвиговый регистр 17, первые выходы которого являются третьими выходами формирователя 1 импульсов, второй выход подключен к второму входу четвертого триггера 15, а второй вход - к первому входу третьего триггера 14,выход которого соединен с вторым входом первого триггера 12, с третьим входом второго триггера 13 и явля,ется первым выходом формирователя 2 импульсов.Арифметический блок 5 (фиг.З) содержит комбинационный сумматор 18 и И параллельно включенных коммутаторов 19, первые входы которых являются первыми входами арифметического блока 5, вторые входы являются вторыми входами арифметического блока 5, а выходы каждого из коммутаторов 19 подключены поразрядно к соответствующим входам комбинационного сумматора 18, первые выходы которого являются первыми выходами арифмети 1284.12ческОГО блока .э, а второй выход ЛВляется вторым выходом арифметического блока 5,В предпочтительном варианте выполнения устройства генератор 1 импульсов состоит из последовательно соединенных кварцевого мультивибратара иделителя частоты следования импульсов, выполненного на счетчике импульсовЮФормирователь 2 импульсов (фиг.4)выполнен на четырех триггерах 12-15Р-типа, двухвходовом логическом элементе И 16 и сдвиговом регистре 17с последовательным входом, имеющим 15И разрядов, причем П-входы первоготриггера 12, четвертого триггера 15и сдвигового регистра 17 подключенык шине логической единицы, а входсброса третьего триггера 14 соединен 20с нулевой шиной. Первый счетчик 3 импульсов выполнен в виде двоичногосчетчика с параллельным выходом, имеющего К разрядов. Сдвиговый регистр 4состоит из И параллельна соединенныхпо цепям управления ячеек, разрядность каждой из которых равна К,Комбинационный сумматор 18 (фиг.5)содержит Ипоследовательно соединенных К-разрядных сумматоров 20, в 30первом из которых первые входы подключены поразрядно к выходам первогокоммутатора 19, а вторые входы - поразрядно к выходам второго коммутатора 19, в каждом 1-м сумматоре 20, 35кроме первого, вторые входы подключены поразрядно к выходам (+1)-гокоммутатора 19, а третий .вход соединен с вторым выходом (д)-го сумматора 20, а в (Х)-м сумматоре .20 40первые выходы подключены поразряднок входам дешифратора 6, а второй выход соединен с третьим входом второго счетчика 7 импульсов.Каждый коммутатор 19 (фиг.б) состогт из К идентичных и параллельновключенных логических элементов И 21,первые входы которых являются первыми входами коммутатора 19 и подключены поразрядно к выходам соответствующей ячейки сдвигового регистра4, вторые входы соединены между собой и образуют второй вход коммутатора 19, а выходы являются выходами коммутатора 19 и подключены поразрядно к соответствующим входамкомбинационного сумматора 18.Второй счетчик 7 импульсов (фиг,7)состоит из М идентичных и параллельцо ВКЛЮЧЕццш:( ОЧЕтцЫХ ЯЧЕЕК 22,НЕрвые (счетные) входы которых являются первыми входами второго счетчика 7 импульсов и подключены поразрядно к выходам дешифратора б, вторые (тактовые) входы соединены между собой и образуют второй вход второго счетчика. 7 импульсов, третьи входы (блокировки счета) соединены между собой и образуют третий вход второго счетчика 7 импульсов, четвертые входы (установки в нулевое состояниЕ) соединены между собой и образуют четвертый вход второго счетчика 7 импульсов, а выходы (переполнения) являются выходами второго счетчика 7 импульсов.Каждая счетная ячейка 23 (фиг,8) содержит последовательно соединенные двухвходовый логический элемент И 23, один из входов которого является инвертирующим, и счетный элемент 24. Элемент ИЛИ 8 выполнен на М-входовом логическом элементе ИЛИ, а регистр 9 хранениясодержит М ячеек памяти с параллельной записью информации. Блок 1 О индикации состоит из М точечных светодиодных индикаторов,образующих М-разрядную шкалу, каждому разряду которой поставлено в соответствие определенное значение (или диапазон) кардиоинтервала или частоты сердечных сокращений,Устройство для измерения ритма сердца работает следующим образом.На второй вход (запуска) формирователя 2 импульсов поступает последовательность импульсов А (фиг.9), синхронных с сокращениями сердца (ритмограмма). Временные интервалы ритмограммы удовлетворяют условию:(1)максгде Т; - временной интервал между импульсами ритмограммы (кардиоинтервал), а Т ц и Т,- минимальное и максимальное значения кардиоинтервалов в диапазоне физиологически возможных значений частоты сердечных сокращений. При формировании ритмограммы помехи образуют случайную последовательность импульсов, которая вместе с ритмограммой поступает на входную шину устройства. Формирователь 2 импульсов из периодической последовательности тактовых импульсов, поступающей на его первый вход с первого выхода генератора 1 импульсов,формирует на своих четырех выходах сиц 1284512хроимпульсы, уиравчяющие работой устройстваПервый счетчик 3 импульсов осуществляет измерение кардиоинтервалов Т; ритмограммы (фиг.9) путем подсчета количества счетных импульсов,поступающих на второй (счетный) вход первого счетчика 3 импульсов через элемент И 11 с второго выхода генератора 1 импульсов. Измеренные значения кардиоинтервалов последовательно заносятся в сдвиговый регистр 4,в ячейках которого в каждый момент времени записаны таким образом М текущих значений смежных кардиоинтервалов в виде количеств счетных импульсов п, (где Г - номер ячейки), соответствующих кардиоинтервалам ТЕсли величина кардиоинтервала оказывается больше что может случиться при пропадании импульса ритмограммы из-за пропуска К-зубца электрокардиограммы или пульсового импульса, то первый счетчик 3 импульсов переполняется, В этом случае сигнал переполнения с второго выхода первого счетчика 3 импульсов запрещает прохождение счетных импульсов через элемент И 11 и в первом счетчике 3 импульсов фиксируется число, соответствующее Т,+ 1.При поступлении очередного импульса А; ритмограммы (фиг,9 и 10) формирователь 2 импульсов вырабатывает по тактовому импульсу (на своем четвертом выходе) импульс управления,по которому числа и , хранящиеся в ячейках сдвигового регистра 4, сдвигаются в соседние ячейки с большими номерами, а в освободившуюся первую ячейку записывается число и ,.соответствующее измеренному кардиоинтервалуПосле этого первый счетчик 3 импульсов устанавливается в нулевое состояние синхроимпульсом с первого выхода формирователя 2 импульсов и начинается измерение следующего кардиоинтервала 7; и т.д.После каждого занесения в сдвиговый регистр 4 очередного значения кардиоинтервала арифметический блок 5 производит последовательное вычисление Ячастичных сумм Б; чисел и хранящихся в ячейках сдвигового регистра 4;Б =и Я =и +и Б =и +п +п,;1 ф 2 1 2 ф 3215 20 где п - число хранящееся в 1-й3ячейке сдвигового регистра 4.Суммирование в соответствии с формулами (2) производится арифметическим блоком 5 за И тактов,в каждом из которых вычисляется соответ,ствующая сумма Б,. Тактирование арифметического блока 5 осуществляется синхроимпульсами, поступающими на его второй вход (управления) с третьего выхода формирователя 2 импульсов.Основной операцией, выполняемой устройством, является формирование совместной гистограммы распределения частичных сумм Б;, Предварительно весь диапазон значений кардиоинтервалов Т; разбивается на М равных интервалов Т: м Тманс ТмннМ(3) Дешифратор б и второй счетчик 7импульсов производят подсчет коли чества значений Я попавших в каждый интервал 6 Т, Дешифратор б осуществляет преобразование входного кода текущего значения Ь, в унитарныйкод, причем каждому выходу дешифра О тора б соответствует определенный интервал. ЬТ, Накопление результатовпроизводится вторым счетчиком 7 импульсов, каждая из М счетных ячеек22 которого также соответствует определенному интервалу ь Т гистограммы.Сигнал, появившийся на каком-либовыходе (разряде) дешифратора б,подается на счетный вход соответствующейсчетной ячейки 22, увеличение содер жимого которой на единицу производится по синхроимпульсу, поступающему на второй (тактовый) вход второгосчетчика 7 импульсов с. второго выхода формирователя 2 импульсов.Для исключения подсчета ложныхрезультатов, вызванных ограничениемразрядности арифметического блока 5,на его втором выходе в случае Я;Тс Формируется сигнал переполнения, поступающий на третий входвторого счетчика 7 импульсов, аименно на инвертирующий вход элемента И 23, и запрещающий прохождениесигнала с выхода дешифратора б на 55 счетный вход счетного элемента 24(фиг,8). После вычисления и обработки последнего значения БМ устройствопереходит в режим ожидания следующе,го импульса А; ритмограммы, при(4) или 35 поступлении которого на входнуЮ шину начинается следующий цикл работы устройства.Операции Формирования гистограммы (суммирование, сортировка и накоп ление) осуществляется циклически (после появления очередного импульса ритмограммы) до тех пор, пока какая-либо из счетных ячеек 22 второ го счетчика 7 не переполнится, Тогда сигнал переполнения на выходе этой ячейки через элемент ИЛИ 8 записыва-, ет единицу в ячейку ш памяти регистра 9 хранения, соответствующую переполнившейся счетной ячейке 22. Этот же сигнал, поступая на четвертый вход второго счетчика 7 импульсов, устанавливает все его счетные ячейки 22 в нулевое состояние, и процесс формирования гистограммы начинается сначала.Содержимое регистра 9 хранения отображается блоком 10 индикации таким образом, что зажигается светодиодный индикатор с номером ш , соответствующий той ячейке памяти регистра 9 хранения, в которую занесена единица, В качестве оценки ритма сердца принимается: л 604 СС = 7о лТогде тп - номер ячейки памяти, в которой произошло переполнение,определяется из выражения (3);40 4 СС - оценка частоты сердечных сокоращений в ударах за минуту при длил тельности кардиоинтервала Т , выраженной в секундах.Определяемые по формулам (4) и (5) значения частоты сердечных сокращений или кардиоинтервала могут быть нанесены на панель блока 10 индикации под соответствующими свето,диодными индикаторами.Отдельные блоки устройства для измерения ритма сердца работают следующим образом. В Формирователе 2 импульсов (фиг,4) формулы ритмограммы А; (фиг,10) поступают на первый (тактовый) вход первого триггера 12. В исходном состоянии очередного цикла к моменту появления очередного импульса А; ритмограммы вс.е триггеры 12-15 находятся в нулевом состоянии (фиг,10, сигналы х 12, х 13, х 14, х 15). Положительным Фронтом импульса А; первый триггер 12 устанавливается в единичное состояние, что разрешает установку второго триггера 13, которая осуществляется положительным фронтом первого из тактовых импульсов С,поступающих с первого выхода генератора 1 импульсов. Сигнал х 13 используется для записи содержимого первого счетчика 3 импульсов в сдвиговый регистр 4, для установки в нулевое состояние сдвигового регистра 17 и для разрешения установки третьего триггера 14. Положительным фронтомследующего тактового импульса С третий триггер 14 устанавливается в единичное состояние. Импульс устанавливает в нулевое состояние первый счетчик 3 импульсов, сбрасывает первый 12 и второй 13 триггеры и устанавливает в единичное состояние четвертый триггер 15. Сигнал х 15 разрешает прохождение тактовых импульсов С через элемент И 16 на первый тактовый вход сдвигового регистра 17 (фиг,10 сигнал х 16), Первым импульсом х 16 устанавливается в единичное состоя- . ние первый разряд а (фиг, 1 О) сдвигового регистра 17. Сигнал а, разрешает вычисление суммы Я. Второй импульс х 16 устанавливает в единичное состояние второй разряд сдвигового регистра 17, и после этого вычисляется сумма Я и т.д. Импульс х 16 под номером М устанавливает в единичное состояние разряд сдвигового регистра 17 под номером Б и вычисляется сумма Я. Отрицательный фронт каждого из импульсов х 16 используется для тактирования второго счетчика 7 по его второму входу, а по отрицательному фронту последнего импульса х 16 вырабатывается сигнал переполнения сдвигового регистра 17, который сбрасывает четвертый триггер 15. На этом цикл работы формирователя 2 заканчивается и он находится в исходном состоянии до появления следующего импульса А, ритмограммы.Арифметический блок 5 производит вычисление частичных сумм Я в соот ветствии с Формулами (2). В исходном состоянии все сигналы а а 29а (фиг. 10), подаваемые на вторые(управляющие) входы коммутаторов 19, равны нулю. Поэтому все входы комби512 1 О 15 20 25 30 35 45 50 55 9 1284национного сумматора 18 подключенычерез коммутаторы 19 к нулевой шине.В момент появления сигнала а пер-вый коммутатор 19 подключает поразрядно через элементы И 21 первые входы комбинационного сумматора 18 квыходам первой ячейки сдвигового регистра 4,. в которой хранится числоп 1. Поскольку на остальных входамкомбинационного сумматора 18 присутствуют нули, то на его выходах установится код 8, равный п 1. В следующем такте, когда появляется сигнал а, второй коммутатор 19 подключает поразрядно к вторым входамкомбинационного сумматора 19 выходывторой ячейки сдвигового регистрав которой хранится число п 2. В результате на выходам комбинационногосумматора 18 появится код Я =п 2+п 1,2В третьем такте формируется кодБз = п 1+п 2+пЗ и т.д. После получениясуммы ЯЯ вычисления прекращаются допоявления следующего импульса Аритмограммы.В конкретном варианте выполненияустройства величины М и К выбираются исходя из следующих соображений,Количество разрядов первого счетчика 3 импульсов определяется требуемой точностью измерения (периодомследования счетных импульсов) с второго выхода генератора 2 импульсови максимальной величиной кардиоинтервала Т. Число ячеек сдвиговогомаКсрегистра 4 зависит от интенсивностипоявления импульсных помех в ритмограмме и определяется требуемой помехоустойчивостью устройства. Количество выходов (разрядность выходнойшины) арифметического блока 5 такжесоответствует Тм. Количество счетных ячеек 22, число ячеек памяти регистра 9 хранения и число входов элемента ИЛИ 8 равно количеству выходов(разрядов выходной шины) дешифратора 6 и определяется требуемой точностью измерений кардиоинтервала иличастоты сердечных сокращений. Емкость счетных ячеек 22 зависит оттребуемой надежности измерений и допустимого времени получения оценкикардиоритма,Эффективность работы предлагаемогс, устройства можно продемонстрировать на модели, довольно точно отобарожающей реальные условия измерения ритма сердца. Предположим, что ритмограмма представляет собой последовательность коротких импульсов,следующих с периодом 1 с (частота сердечных сокращений 60 уд/мин). Будем считать, что вероятность появления импульса помехи в каждом кардиоинтервале равна 1, а распределение момента появления помехи в интервале равномерное. В этом случае, известное устройство за 1 мин работы зафиксирует в среднем 120 результатов измерения интервалов, причем с практически нулевой вероятностью ни один из них не будет близок к величине 1 с, поскольку значения измеряемых интервалов будут равномерно распределены в диапазоне от 0 до 1 с, В устройстве при И=2 будет получено бО результатов измерения, равным 1 с, а остальные измеренные значения бу-дут равномерно распределены в интервале от 0 до 2 с. В этом случае вероятность получения оценки,равной истинной величине кардиоритма, практически равна 1.Таким образом, совместная обработка ряда последовательных интервалов между импульсами ритмограммы с высоким уровнем помех позвопяет значительно повысить помехоустойчивость измерения ритма сердца,что обеспечивает существенное увеличение диагностической информативности результатов измерения ритма сердца человека в условиях его двигательной активности и в других экстремальных условиях, сопровождающихся повышенным уровнем помех. Формула изобретения 1. Устройство для измерения ритма сердца, содержащее последовательно соединенные генератор импульсов,формирователь импульсов и первый счетчик импульсов, последовательно соединенные дешифратор и второй счетчик, импульсов, к второму входу которого подключен второй выход формирователя импульсов, второй вход которого соединен с входной шиной устройства, и блок индикации, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения помехозащищенности, в него введены последовательно соединенные сдвиговый регистр, первые входы которого подключены поразрядно к первым выходам первого счетчика импульсов,иарифметический блок, первые выходы которого соединены поразрядно с входами дешифратора, второй выход соединен с третьим входом второго счетчика импульсов, а вторые входы соединены поразрядно с третьими выходами формирователя импульсов, четвертый выход которого подключен к второму входу сдвигового регистра, последовательно соединенные элемент ИЛИ 10 и регистр хранения, выходы которого подключены поразрядно к входам блока индикации, а вторые входы подключены поразрядно к входам элемента ИЛИ и к выходам второго счетчика импуль- ,15 сов, четвертый вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ, элемент И первый вход которого подключен к второму выходу генератора импульсов,а второй вход - к второму выходу пер О вого счетчика импульсов, второй вход которого соединен с выходом элемента И.2. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что в нем фор мирователь импульсов содержит последовательно соединенные первый триггер, первый вход которого является вторым входом формирователя импульсов, второй триггер, выход которого ЗО является четвертым выходом формирователя импульсов, третий триггер, четвертый триггер, элемент И, второй вход которого соединен с вторымивходами второго триггера и третьеготриггера и является первым входомформирователя импульсов, а выход является вторым выходом формирователяимпульсов, и сдвиговый регистр,первые выходы которого являются третьими выходами формирователя импульсов, второй выход подключен к второму входу четвертого триггера, авторой вход - к первому входу третьего триггера, выход которого соединен с вторым входом первого триггера,с третьим входом второго триггера иявляется первым выходом формирователя импульсов. 3. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что в нем арифметический блок содержит. комбинационный сумматор и Ы параллельно включенных коммутаторов, первые входы которых являются первыми входами, арифметического блока, вторые входы являются вторыми входами арифметического блока, а выходы каждого из коммутаторов подключены поразрядно к соответствующим входам комбинационного. сумматора, первые выходы которого являются первыми выходами арифметического блока, а второй выход является вторым выходом арифметического блока.ОХадый Ьоды 3 хойа 1281,512 фиг ЙФ дюхйЬ Г Уг ВЗ юг вхаР 21 284512 дайЬааРы Дц.бхай 1 ЮхоР дкИгхойг ХРиа Р