Имитатор пульсового сигнала

(51) 4 САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ л.47государственн медицинович, Р. Х. Садв, С. А. Золотойи И. А. Карпов8)свидетельство СА 61 В 5/02, 10.0А. 10., Ивкинизменяюшегосяформы. Прибор985,6, с. 104 Е. В. Гене- напряжения ы и техника ОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ М А ВТОРСКОМЪГ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Авторское635968, кл.Виноградовратор линейнонесимметричнойэксперимента, 1 ИМИТАТОР ПУЛЪСОВОГО СИГНАЛА(57) Устройство содержит последовательно соединенные интегратор 2 и блок 3 управления. С целью повышения точности моделирования сигнала при нарушениях кровообрагцения, а также расширение демонстрационных возможностей за счет раздельного формирования артериальной и венозной компонент пульсовой волны в него введены последовательно соединенные синхронизатор 4 и коммутатор 1, последовательно соединенные коммутатор 5, интегратор 6 и блок 7 управления, последовательно соединенные коммутатор 8, интегратор 9 и блок 10 управления, последовательно соединенные сумматор 11, сумматор 12 и регистра- д тор 13, последовательно соединенные функ- Ж циональный преобразователь 14 и сумматор 15, и фуннзнаионалнный преобразователь 15.7 ил.С:25 45 его интегратора 9, пятый вход - с первымвходом третьего сумматора 15, а шестой.50 55 Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для моделирования биомедицинских сигналов.Целью изобретения является повышение точности моделирования сигнала при нарушениях кровообращения, а также расширение демонстрационных возможностей за счет раздельного формирования артериальной и венозной компонент пульсовой волны.На фиг. 1 прйведена структурная электрическая схема имитатора пульсового сигнала; на фиг. 2 - структурная электрическая схема синхронизатора; на фиг. 3 - принципиальная электрическая схема интегратора; на фиг. 4 - принципиальная электрическая схема блока управления; на фиг. 5 - принципиальная электрическая схема функционального преобразователя; на фиг. 6 - временные диаграммы работы синхронизатора; на фиг. 7 - эпюры выходных сигналов основных блоков имитатора пульсового сигнала. Имитатор пульсового сигнала содержит (фиг. 1) последовательно соединенные первый коммутатор 1, первый интегратор 2 и первый блок 3 управления, синхронизатор 4, первый выход которого подключен к первому входу первого коммутатора 1, второй вход которого соединен с выходом первого блока 3 управления, последовательно соединенные второй коммутатор 5, первый вход которого подключен к второму выходу синхронизатора 4, второй интегратор 6 и второй блок 7 управления, выход которого подключен к второму входу второго коммутатора 5, последовательно соединенные третий коммутатор 8, первый вход которого подключен к третьему выходу синхронизатора 4, третий интегратор 9 и третий блок 10 управления, выход которого подключен к второму входу третьего коммутатора 8, последовательно соединенные первый сумматор 11, которой сумматор 12 и регистратор 13, последовательно соединенные первый функциональный преобразователь 14, и третий сумматор 15 и второй функциональный преобразователь 16, вход которого подключен к выходу, третьего интегратора 9 и к второму входу второго сумматора 12, а выход - к второым входам третьего сумматора 15 и регистратора 13, третий вход которого соединен с выходом третьего сумматора 15, четвертый вход - с выходом третьвход - с входом первого функционального преобразователя 14 и с выходом первого сумматора 11, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно первого интегратора 2 и второго интегратора 6. При этом первый коммутатор 1, первый интегратор 2 и первый блок 3 управления, второй коммутатор 5, второй интегратор 6 и второй блок 7 управления,5 1 О 15 20 30 35 40 третий коммутатор 8, третий интегратор 9и третий блок 10 управления образуютсоответственно первый, второй и третий управляемые генераторы 17, 18 и 19 линейноизменяющегося напряжения несимметричнойформы.В предпочтительном варианте выполнения имитатора пульсового сигнала синхронизатор 4 содержит (фиг. 2) генератор 20прямоугольных импульсов, выход которогоявляется первым выходом синхронизатора 4,одновибратор 21 с запуском по заднемуфронту входного импульса, выход которогоявляется вторым выходом синхронизатора4, одновибратор 22 с запуском по переднему фронту входного импульса и инверснымвыходом, логический элемент ИЛИ 23 и логический элемент И 24, выход которого является третьим выходом синхронизатора 4.Каждый из интеграторов 2, 6 и 9 содержит (фиг. 3) операционный усилитель 25,сдвоенный тумблер 26, конденсатор 27 и пятьрезисторов 28 - 32,Каждый из блоков 3, 7 и 10 управлениясодержит (фиг. 4) первый компаратор 33,второй компаратор 34, инвертор 35, триггер 36, транзистор 37, три диода 38, 39и 40, реле 41, сдвоенный переключатель42, восемь потенциометров 43 - 50 и одиннадцать резисторов 51 - 61, Первый 1, второй5 и третий 8 коммутаторы могут быть выполнены на полевых транзисторах,Каждый из функциональных преобразователей 14 и 16 содержит (фиг. 5) операционный усилитель 62, два транзистора63 и 64, восемь диодов 65 - 72, два потенциометра 73 и 74, и семнадцать резисторов 75 - 91. Сумматоры 11, 12 и 15 могутбыть выполнены, например, в виде суммирующих операционных усилителей. В качестве регистратора 13 может быть использован многоканальный самописец или многолучевой осциллограф.Принцип моделирования пульсового сиг-,нала основан на том, что артериальнаяпульсация представляет собой бегущую волну и формируется из двух полуволнположительной и отрицательной (относительно изолинии). Венозная пульсация состоит из одной положительной полуволны, начало которой запаздывает относительноначала артериальной пульсации на времяпорядка 100 мс. Сигнал пульсового кровенакопления является суммой двух компонент - артериальной и венозной пульсации.Имитатор пульсового сигнала работаетследующим образом.Под управлением импульсов, поступающих с первого выхода синхронизатора 4(фиг. 6, 1) на первый (управляющий) входпервого коммутатора 1, с второго выхода синхронизатора 4 (фиг. 6, 11) на первый (управляющий) вход второго коммутатора 5 ис третьего выхода синхронизатора 4 (фиг. 6,111), на первый (управляющий) вход треть 1360697его коммутатора 8, формируются треугольные несимметричные импульсы заданной полярности на выходах соответственно первого управляемого генератора 17 первого интегратора 2 (фиг. 7 а), второго управля емого генератора 18 второго интегратора 6 (фиг. 7 Ь) и третьего управляемого генератора 19 третьего интегратора 9 (фиг.с). ,управляющие импульсы на выходах синхронизатора 4 для имитации одного кардиоцикла представлены на фиг. 7 (графики 1 - 111).Функционирование управляемых генераторов 17 - 19 можно рассмотреть на примере первого управляемого генератора 17. Г 1 осле включения питания отрицательное стабилизированное напряжение с движка од ного из потенциометров 43 - 45 первого блока 3 управления через переключатель 42, нормально замкнутые контакты реле 41 и первый коммутатор 1 поступает на вход первого интегратора 2 (фиг. 3). На выходе первого интегратора 2 появляется линейно нарастающее напряжение, скорость нарастания которого определяется постоянной времени цепи, образуемой резистором 29 и конденсатором 27, и амплитудой задающего напряжения. Далее выходное напряжение первого интегратора 2 поступает на входы компараторов 33 и 34 первого блока 3 управления (фиг. 4). При достижении напряжения порога срабатывания, установленного потенциометром 49, на выходе первого компаратора 33 появляется сигнал логиче- ЗО ской единицы, который, инвертируясь инвертором 35, устанавливает триггер 36 по первому его входу в единичное состояние. В результате этого открывается транзистор 37 и срабатывает реле 41. Теперь к входу первого интегратора 2 подключено З положительное напряжение, и на его выходе появляется линейно падающее напряжение, скорость спада которого определяется также постоянной времени цепи, образуемой резистором 29 и конденсатором 27, и амплитудой задающего напряжения, 4 О снимаемого с движка одного из потенциометров 46 - 48. При этом на первый вход триггера 36 поступает сигнал логической единицы. При достижении изменяющимся напряжением величины порога срабатывания 4 установленного потенциометром 50, на выходе второго компаратора, появляется сигнал логического нуля, который устанавливает триггер 36 в нулевое состояние. При этом транзистор 37 закрывается, реле 41 снова переходит в нормально замкнутое состояние и на вход первого интегратора 2 опять подается отрицательное напряжение. На этом формирование одного кардиоцикла пульсового сигнала заканчивается, и начинается новый цикл.Тумблер 26 служит для коррекции нуля 55 операционного усилителя 25 резистором 30. На фиг. 3 он показан в положении Работа. Госредством сдвоенного переключателя 42 (фиг. 4) производится выбор одной из трех фиксированных форм линейно изменяющегося напряжения. Положение движков потенциометров 43 - 45 определяет скорость нарастания, а потенциометров 46 - 48 - скорость спада напряжения. Параметры схемы позволяют регулировать эти скорости в пределах от 1 В/с до 0 мВ/с. Амплитуда положительного импульса устанавливается потенциометром 49, а амплитуда отрицательного импульса - потснцнометром 50.Первый функциональный преобразователь 4 и второй функциональный преобразователь 16 формируют из поступающих на их входы кусочно-линейных сигналов (фиг. 7 с, д) соответствующие им параболические аппроксимации (фиг. 71, д) следующим образом. Делитель на резисторах 77 - 80 в эмиттсрной цепи транзистора 63 и делитель на резисторах 8487 в эмиттерной цепи транзистора 64 создают опорные напряжения, определяющие напряжения открывания соответственно диодов 65- - 68 и диодов 69 - 72 (фиг. 5). В зависимости от амплитуды входного напряжения треугольной формы открывается соответствующий диод 65 - 72, и вследствие этого изменяется коэффициент передачи делителя, образованного резистором 75 и нелинейным преобразователем на диодах 65 - 72 и резисторах 77 - 87. Поскольку огкрывание диодов 65 - 72 происходит плавно, то плавно изменяется н коэффициент передачи этого делителя, и на неинвертируюший вход операционного усилителя 62 поступает напряжение, близкое по форме к синусоиде. Диоды 65 - 68 формируют отрицательную полуволну, а диоды 69 - 72 положительную полуволну. Степень симметричности фор мируемого сигнала устанавливается потенцн. омеграми 73 и 74.Синхронизатор 4 формирует такую последовательность управляющих импульсов (фиг. 6), которая, открывая в соответствующие моменты времени коммутаторы 1, 5 и 8, обеспечивает вырабатывание управляемыми генераторами7- - 19 сигналов требуемой формы (фиг. 7). В первом 3 н третьем 10 блоках управления порог срабатывания первых компараторов 33 отрицательного напряжения устанавливается равным нулю, и поэтому первый 17 и третий 19 управляемые генераторы формируют треугольные импульсы только положительной полярности (фиг. 7 а, д). Во втором блоке 7 управления порог срабатывания второго компаратора 34 положительного напряжения устанавливается также нулевым, и поэтому второй управляемый генератор 18 формирует треугольные импульсы только отрицательнойполярности (фпг. 76).Выходные сигналы первого 2 и второго 6 интеграторов подаются на входы первого сумматора 1, на выходе которого форми1360697 1 и руется кусочно-линейная аппроксимация артериальной составляющей сигнала периферического пульса (фиг. 7 с), венозная составляющая которого (фиг. 7 д) формируется ца выходе третьего интегратора 9 с задерж кой, задаваемой управляющим импульсом на третьем выходе синхронизатора 4 (фиг. 7, 111) . 1-1 а выходе второго сумматора 12 формируется сигнал, являющийся кусочно-линейной аппроксимацией пульсового сигнала (фиг. 7 е), а ца выходе третьего сумматора 15 и выходах первого 14 и второго 16 функциональных преобразователей формируются сигналы, являющиеся параболической аппроксимацией пуль- сового сигнала и его артериальной и веноз цой составляющих (фиг. 7 11, 1, ). Полученный сигнал цульсового кровецаполнения близок по форме к реальному сигналу пульса ц имеет все его характерные точки; А начало пульсовой волны, С - вершина пульсовой волны, 1 - инцизура и Э - дикро 20 тпческий зубец на нисходящей части пуль- совой волны. Выходные сигналы третьего управляемого генератора 19, сумматоров 11, 12 и 5 и функциональных преобразователей 14 и 16 подаются на многоканальный регистратор 13. Таким образом, имитатор пульсового сигнала позволяет моделировать форму биосигнала цульсового кровенацолнения в целом, и также его артериальную и венозную ком цоцецты и обеспечивает имитацию путем изменения амплитудных и временных параметров, составляющих формируемого сигнала, различных нарушений системы кровообращения, таких как повьшение периферического сосудистого сопротивления, сни жение вецозцого тонуса и др. Имитатор пульсового сигнала может быть использован для калибровки измерительных трактов анализаторов пульса, а также для изучения и демонстрации процесса формирования пульсовой волны. Формула изобретенияИмитатор пульсового сигнала, содержащий последовательно соединенные первый интегратор и первый блок управления, отличающийся тем, что, с целью повышения точности моделирования сигнала при нарушениях кровообращения, а также расширения демонстрационных возможностей за счет раздельного формирования артериальной и венозной компонент пульсовой волны, в него введены последовательно соединенные синхронизатор и первый коммутатор, второй вход которого подключен к выходу первого блока управления, а выход- - к входу первого интегратора, последовательно соединенные второй коммутатор, первый вход которого подключен к второму выходу синхронизатора, второй интегратор и второй блок управления, выход которого подключен к второму входу второго коммутатора, последовательно соединенные третий коммутатор, первый вход которого подключен к третьему выходу синхронизатора, третий интегратор и третий. блок управления, выход которого подключен к второму входу третьего коммутатора, последовательно соединенные первый сумматор, второй сумматор и регистратор, последовательно соединенные функциональный преобразователь и третий сумматор, и второй функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу третьего интегратора и к второму входу второго сумматора, а выход - к вторым входам третьего сумматора и регистратора, третий вход которого соединен с выходом третьего сумматора, четвертый вход - с выходом третьего интегратора, пятый вход -- с первым входом третьего сумматора, а шестой вход - с входом первого функционального преобразователя и с выходом первого сумматора, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно первого интегратора и второго интегратора.360697 Х // ///Составитель Э. Бадуев Р дактор,1. Лангазо Гехрсд И. Верее Корректор В. ГирнякТираж 595 1 одииснос Б 1 ИИ 1 И Государсгвснного кочитета СССР но делая изобретений и открытий11:51)35, Москва, )К 35, Раушская наб., д. 4511 роизвдственио-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, уд. 11 ректная, 4