Имитатор физиологических сигналов

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУ БЛИН 127(21) (22) (46) (72) (53) (56) У 93 итовченк 57) Изобре кой техник таторам гемо в системе кр ретения - по верности восп но эадаваемог мых сигналов пульсирующий ротором, отк гнетательную ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ВТОРСКОМУ СВИ 3914011/28-1422,05.8523.11.86. Бюл. В 43В.С. Бедненко и В,В. Л615.47(0888)Авторское свидетельство СССР013, кл, А 61 М 1/03, 1982.(54) ИМИТАТОР ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ СИГ- НАЛОВ ние относится к медицина именно к кардиоимиинамических процессов вообращения. Цель иэобышение точности и досто. роизведения одновремено комплекса имитируеУстройство содержит насос со статором и ытую, всасывающую и накамеры, предохранитель- щ ный клапан. Первый резервуар заполнен жидкостью, а второй - газом. Кроме того, устройство содержит первый,второй и третий формирователи импульсов, первый и второй генераторытреугольных импульсов, модуляторы,сумматор, генератор прямоугольныхимпульсов, генератор трапецеидальныхсигналов, генераторы синусоидальныхсигналов, блок автоматической регулировки усиления, блок управления амплитудой и частотой сигналов, преобразователи скорости сокращения насоса, расхода жидкости и давления жидкости в электрические сигналы. Амплитудные и частотные признаки физиологических сигналов, соотношения уровнейих отдельных составляющих, временныеи фаэовые соотношения могут быть подобраны в зависимости от целевогоназначения приборов путем использования имеющихся регулировок. 2 ил.10 Изобретение относится к медицинской технике, а именно к кардиоимита. торам гемодинамических процессов в системе кровообращения, и предназначено для настройки, градуировки калибровки и поверки многофункциональных физиологических диагностических приборов (полиграфов), а также при исследовании гидродинамики кровообращения.Цель изобретения - повышение точности и достоверности воспроизведения одновременно задаваемого комплекса имитируемых сигналов, включающих фонокардиограмму, ультразвуковую допплеркардиограмму, ультразвуковую допплервазограмму и пульсограммы сосудов.На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого имитатора; на фиг. 2 - эпюры аналогов физиологи 1 ческих сигналов, формируемых имитатором, а также режимы работы блока автоматической регулировки усиления. Имитатор физиологических сигналов (фиг. 1) содержит пульсирующий насос 1 со статором 2 и ротором 3, открытую 4, всасывающую 5 и нагнетательную 6 камеры, предохранительный клапан 7, первый резервуар 8, заполненный жидкостью, второй резервуар 9, заполненный газом, жесткую емкость 10, первую 11 и вторую 12 поворотные платформы, первое 13 и второе 14 гидросопротивления, четыре трубки 15-18 из эластично-упругого материала, четыре трубки 19-22 из эластичного материала, первую 23 и вторую 24 мягкие емкости, расходомеры 25 и 26, манометры 27 и 28, дроссели 29 и 30, компрессоры 30-33, подвижный замыкающий контакт 34, группу из пяти разомкнутых контактов 35-39, первую ключевую схему 40 первый формирователь 41 импульсов, первый генератор 42 треугольных импульсов, первый модулятор 43 и сумматор 44, вторую ключевую схему 45, второй формирователь 46 импульсов, второй генератор 47 треугольных импульсов, второй модулятор 48, третью ключевую схему 49, третий формирователь 50 импульсов, блок 51 автоматической регулировки усиления, генератор 52 прямоугольных импульсов, третий модулятор 53, генератор 54 трапецеидальных сигналов и четвертый модулятор 55, первый 56, второй 57 и третий 58 генераторы синусоидальных сигналов, генератор 59 шума,преобразователи 60-62 соответственноскорости сокращения насоса, расхода жидкости и,цавления жидкости в электрические сигналы, блок 63 управления амплитуцой и частотой сигналов, зажимы и соединительные шланги.Имитатор работает следующим образом. Пульсирующий насос 1 создает в гидравлической системе имитаторапрерывистый поток жидкости, имитирующий пульсации давления в сосудахорганизма и вытекающий в нагнетательную камеру 6. Величина среднединамической составляющей давленияконтролируется манометром 27, под ключенным через дроссель 30. Компрессор 31 предусмотрен для изменениядавления в камере при необходимостиувеличить или уменьшить эластичностьаналога аортальной системы. Выходящий из камеры пульсирующий потокконтролируется расходомером 25. Предохранительный клапан 7 осуществляетзащиту имитатора от поврежденийпри форсированной работе насоса ибольших значениях входного сопротивления системы.Гидравлический сигнал, разветвляясь, через регулируемые гидросопротивления. 13 и 14, имитирующие сопротивления сосудистого русла и соз дающие перераспределение аналогакрови, по штуцерам поступает на эластично-упругие трубки 15 и 17. Перваяиз трубок является аналогом общейсонной, а вторая - подключичной артерии. Обе они расположены внутрижесткого резервуара 8, заполненногожидкостью. Жидкость, моделирующаяэластические свойства органов и тканей, расположенных в верхней частигрудной клетки и влияющих на скорости изменения статического объема сосудов и расхода крови, играет рольдемпфера, Компрессор 32, соединенныйс полостью резервуара, имитирует 0 изменения внутригрудного давления,имеющие место в реальных условиях(например, за счет дыхания). Такимобразом, поток, состоящий из ослабленных пульсаций, наложенных намедленно меняющиеся "дыхательныеволны", из трубок 15 м 17 подаетсячерез штуцера соответственно на эластично-упругие трубки 16 и 18, перваяиз которых является аналогом системы внутренних, а вторая - наружных сонных артерий. Соотношение потоков в системах регулируется гидросопротивлениями 13 и 14. Трубки 16 и 19 размещены в полости жесткого резервуара, заполненного газом, который играет роль демпфера. Компрессор 33 имитирует воздействие атмосферного давления на скорость изменения стати О ческого объема сосудов шеи и расхода крови в них. С выхода трубки 16 суммарный сигнал, отражающий изменения внутригрудного и атмосферного давлений, совместно с компонентами пульсаций через жесткую емкость 10, выполняющую роль накопительной и моделирующую свойства пазух твердой мозговой оболочки, поступает на мягкие емкости 23 и 24, имитирующие депони рующие свойства глубокорасположенных вен черепа и поверхностных вен головы соответственно. На емкость 24 подается также поток из трубки 19. Эта система из трех емкостей регу лирует перераспределение жидкости (в основном, медленно меняющихся составляющих потока) при функциональ ных переполнениях одной из сосудистых ветвей. ЗОС выхода емкостей 23 и 24 пульсирующий поток поступает на эластичные трубки 21 и 22, первая из которых является аналогом системы внутренних, а вторая - наружных яремных вен. Они размещены внутри ре 35 зервуара 9, в полости которого колебания трубок 16, 18, 21 и 22 суммируются: к компонентам аналога артериальных пульсаций и медленно меняю 1 О щихся составляющих внешнего давления добавляются динамические компоненты венного пульса,С трубок 21 и 22 сигналы поступают .на эластичные трубки 19 и 20. Первая 5 из них является аналогом системы безымяннь 1 х и верхней полой вен, а вторая - подключичных вен. В полости резервуара 8 пульсовые колебания аналогов сосудов 15, 17, 19 и 20 сумми О руются, как в предыдущем случае. Далее сигналы со всех венозных аналогов поступают во всасывающую камеру 5, выполненную по типу накопительной емкости. На ее вход через дроссель 29 подается также жидкость из открытой камеры 4, играющей роль аналога депо крови в организме, Манометр 28 блужит для контроля величины давленияво всасывающей части устройства.С помощью поворотной платформы 11с расположенными на ней элементамидостигается создание в аналоге сосудистой системы продольных или поперечных гидростатических сил, которые являются одним из важнейших факторов, определяющих задание скоростей изменения статического объема сосудов и расхода крови. В этих ситуациях имитируется перераспределение жидкости сред организма при изменении положения головы и верхней части тела по отношению к нижней. Поворотная платформа 12 предназначена для задания указанных параметров во всех звеньях сосудистого русла. При этом моделируется перераспределение крови, происходящее при изменении положения тела человека в пространства.В процессе работы имитатора пульсации давления внутри трубок вызывают колебания их стенок по аналогич- ному закону. Аналогом пульса центральных артерий являются колебания на выходах трубок 15-18 и вен 19-22, а пульсовых колебаний сосудистых пучков - пульсации давления внутри резервуаров 8 и 9. В подключенных к указанным элементам измерительных каналах полиграфа, предназначенных для регистрации пульсовых кривых, формируются, например, тест-сигналы аналогов центрального пульса А (фиг. 2) и венозно-артериальной пульсограммы В сосудов шеи.В процессе работы пульсирующего насоса в каждом начале цикла пульсаций установленный на его роторе подвижный замыкающий контакт 34, соеди.ненный с общей шиной электронной час- ти устройства, последовательно замыкает установленные на статоре 2 насоса неподвижные контакты 35-39. Расположение неподвижных контактов имитирует временные соотношения фаз сердечного цикла. Контакты расположены по окружности статора с расстояними между ними, величины которых связаны числовым соотношением 1:2:1:2;1. Этот ряд чисел соответствует соотношениям длительностей фаз сердечного цикла . Н/ И/Р/Н/СП. Замыкание первого неподвижного контакта 35 вызывает срабатывание первой ключевой схемы 40, что приводит к запуску первого формирователя 41, выдающего стандартизи1271493 5рованный сигнал на первый генератор 42 треугольных импульсов и генератор 52 прямоугольных импульсов. В результате на выходе генератора 42 формируется треугольный видеоимпульс, поступающий на один из входов первого сумматора 43. Коэффициент Е, передачи выходного сигнала генератора 42 задаваемый с блока 51 автоматической регулировки уси.ления, в этой фазе сердечного цикла принимает минимальное значение(фиг. 2, Н), На второй вход модулятора 43 непрерывно подаются монохроматические колебания с третьегогенератора 58 синусоидальных сигналов. В моменты совпадения во времени синусоидальных сигналов и треугольного видеоимпульса формируетсясигнал Д, как аналог составляющей УЗДК в фазе напряжения. Уровень сиг- .нала Д при этом определяется величиной 1 с 2, . Одновременно с формированием сигнала Д генератором 52 вырабатывается прямоугольный видеоимпульс, поступающий на один из входов третьего модулятора 53. Коэффициент Е, передачи выходного сигнала генератора 52, задаваемый с блока 51, при этом (так же, как и длясигнала Д) принимает минимальноезначение 1 с, (Фиг. 2, М), На второй вход модулятора 53 подаютсягармонические сигналы с первогогенератора 56 синусоидальных сигналов, в результате Формируется аналог 1 тона ФКГ - В с уровнем, пропорциональным значению 1 с, . Ьгенератора 57 синусоидальных сигналов, а на второй вход четвертого модулятора 55 - шумоподобные сигналы с выхода генератора 59 шума. В реэультате на выходе модулятора 48 Формируются импульсы Е, представляющиесобой аналог составляющих УЗДК в Фа-.зе изгнания (с уровнем, соответствующим значению 1 с, ), а на выходе 1 О модулятора 55 - сигналы К - аналог составляющей УЗДВ в период систолы(с размахом, пропорциональными ).мак. В момент времени, соответствующий окончанию сигналов С,и К, в блоке 51 автоматической регулировки усиления с помощью входящих в его состав времязадающего элемента и цепей коммутации (не показаны) осуществляется перевод блока 51 в режим работы, при котором 1 с, и 1 с прини, мают максимальные значения Е, и1 макс 1 с , а 1 с - минимальное 1 смииПри замыкании контактом 34 третьего подвижного контакта 37 происхо 25 дит вторичное (в пределах одного сердечного цикла) срабатывание первойключевой схемы 40 и первого формирователя 41 с последующей работойгенераторов 42, 52, 58, 56 и,модуляторов 43 и 53 аналогично их работепри первом срабатывании (то естьот контакта 35), Таким образом формируестя аналог ж составляющей УЗДКв Фазе расслабления и аналог Г второго тона РКГ с уровнями, пропорциональными соответственно 1 с и2 мин 1 с макс При замыкании контактом 34 четверВ момент замыкания подвюкнымконтактом 34 второго неподвижногоконтакта 36 осуществляется срабатыванне второй ключевой схемы 45 и запуск второго формирователя 46. Сигнал с его выхода подается на второй генератор 47 треугольных импульсов и генератор 54 трапецеидальных сиг,налов. Импульсы с выходов генераторов 47 и 54 подаются соответственно на второй 48 и четвертый 55 моду 45 ляторы. Коэффициент 1 с. передачи вы Оходного сигнала генератора 47, задаваемый с блока 51, в этот период принимает минимальное значениемЬмин (фиг. 2, О), а коэффициент 1 с, передачи генератора 54 - максимальное значение 1 с,(П), На второй вход второго модулятора 48 поступают синусоидальные колебания с. второго того неподвижного контакта 38 осуществляется вторичное (в пределах одного сердечного цикла) срабатывание второй ключевой схемы 45 и второго формирователя 46 и дальнейшее функционирование генераторов 47, 54, 57, 59 и модуляторов 48 и 55 аналогично первому (т.е. от контакта 36) срабатыванищ. При этом формируются аналоги составляющей УЗДК в фазе изгнания - Ъ (с уровнем, соответствующим Еа и УЗДВ), в период диастолы Л (с размахом, пропорциональным 1 с ин1При замыкании контактом 34 пятого неподвижного контакта 39 происходитсрабатывание третьей ключевой схемы 49 и запуск третьего формирователя 50. Сигнал, поступающий с Формирователя 50 на блок 51 автомати 12714937ческой регулировки усиления,вызывает срабатывание цепей управления режимом работы блока и задание коэффициентов передачи 1,12 макс.1 фц 1 ч макс, Кроме то 5го, сигнал с выхода формирователяпоступает на второй вход первогогенератора 42 треугольных импульсов.При этом на выходе генератора 42формируется треугольный видеоимпульс, который далее в первом модуля.торе 43 с помощью второго генератора 48 преобразуется в сигнал И, соот.ветствующий аналогу составляющейУЗДК в период систолы предсердий 1(с уровнем, соответствующим Е ).В момент времени, соответствующийокон анию сигнала И, в блоке 51 спомощью времяэадающего элемента ицепей коммутации осуществляется его р 0перевод в режим работы, при которомпринимает минимальное значение.За период сердечного цикла наобобщенных выходах "Вых 1" и "Вых 2"модуляторов 53 и 55 объединяются, 25соответственно, компоненты В-Г иК-Л образуя сигналы аналогов ФКГи УЗДВ. Компоненты Д, Е, Ж, 3, Иобъединяются с помощью сумматора 44,сигналы Д, Ж, И поступают на одиниз его входов, а Е и 3 - на второйвход, в результате на выходе "Вых 3"сумматора 44 формируется аналог сигнала УЗДК. В последующих циклах сердечного сокращения процессы формирования аналогов ФКГ, УЗДК, УЗДВ повторяются, чем обеспечивается генерирование периодических последовательностей указанных физиологических, сигналов с их характерными амплитудными и частотными признаками. На входы измерительных каналов полиграфа аналоги сигналов ФКУ, УЗДК, УЗДВ подаются синхронно с тест-сигФ 45 налами аналогов центрального пульса А и венозно-артериальной пульсограммы сосудов шеи Б.В процессе работы имитатора преобразователи 60-62 соответственно скорости сокращения насоса, расхода жид 50 кости и давления жидкости вырабатывают электрические сигналы, пропор:циональные изменению укаэанных физических величин и поступающие на вхо.ды блока 63 управления амплитудой и ,частотой сигналов, который формирует управляющие сигналы, изменяющие режимы работы,(УРовень и частоту генеРируемых колебаний) первого 56, второго 57 и третьего 58 генераторовсинусоидальных сигналов и генератора 59 шума. При этом соответственнос вариациями скорости сокращениянасоса, расхода жидкости и давления жидкости изменяются уровни ичастотный состав составляющих анал,в ФКГ, УЗДК, УЗДВ,Полученные с помощью имитаторасинхронно, в едином масштабе времени, аналоги центрального пульса,венозно-артериальной пульсограммыФКГ, УЗДК, УЗДВ могут быть использованы при настройке, градуировке,калибровке и поверке полиграфов.Амплитудные и частотные признакифизиологических сигналов, соотношения уровней их отдельных составляющих, временные и фазовые соотношениямогут быть подобраны в зависимостиот целевого назначения приборов путем использования имеющихся регулировок,Помимо применения имитатора в качестве источника тест-сигналов он может быть использован также при исследовании гидродинамики кровообращения. При этом производится, например, задание различных режимов работы предлагаемого устройства и последующий математический анализ взаимосвязей между показателями физиологических сигналов и параметрами, характеризующими работу отдельных звеньев используемой в имитаторе модели сердечно-сосудистой системы.Таким образом, использование имитатора обеспечивает одновременное задание аналогов сигналов фонокардиограммы, ультразвуковой допплеркардио" граммы, ультразвуковой допплервазограммы и пульсограмм сосудов, что позволяет повысить диагностические возможности многоканальной физиологической аппаратуры за счет повышения точности воспроизведения аналогов физиологических сигналов и точности настройки измерительных каналов;улучшить дифференциальные возможности физиологических диагностических критериев, предусматривающих применение полифункциональной диагностики с применением комплекса методов, включающих ФКГ, УЗДК, УЗДВ; повысить точность измерения физиологических показателей в условиях воздействия на обследуемых факторов внешней среды20 формула изобретения 30 Имитатор физиологических сигналов, содержащий пульсирующий насос со статором и ротором, открытую, всасывающую и нагнетательную камеры, предохранительный клапан, первый резер 35 вуар, заполненный жидкостью, второй резервуар, заполненный газом, жесткую емкость, первую,и вторую поворот ные платформы первое и второе гидУ40 росопротивления, четыре трубки из эластично-упругого материала четыре трубки из эластичного материала, пер. вую и вторую мягкие емкости, расходомеры, манометры, дроссели, компрес 45 соры, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и достоверности воспроизведения одновременно задаваемого комплекса имитируемых сигналов, включающих фоно 50 кардиограмму, ультразвуковую допплер- ,.кардиограмму, ультразвуковую допплерваэограмму и пульсограммы сосудов, в него дополнительно введены установленный на роторе пульсирующего насоса подвижный замыкающий контакт, ус тановленная на статоре пульсирующего насоса группа из пяти неподвижных, разнесенных в пространстве, разомк 9(в авиационной, космической, подводной и других областях медицины) путем задания сигналов и предварительной настройки каналов полиграфа на варианты ФКГ, УЗДК, УЗДВ, соответствующие изменениям их амплитудных и частотных показателей в указанных условиях; минимизировать погрешности, возникающие за счет наличия индивидуальных физиологических особенностей (анатомических, морфологических, функциональных и др.) обследуемых, путем предварительной настройки каналов на тот или иной известный по данным ранее проведенных обследований диагностический вариант нормы; расширить функциональные и методические возможности имитаторов, используемых в медицинской технике, придать им более универсальный характер, и определить информативные возможности косвенных методов путем оценки характера и степени взаимозависимостей их показателей (сфигмографии, ФКГ, УЗДК, УЗДВ) 25 с системными параметрами, отражающими состояние гомеостаза. нутых контактов, последовательно сое. диненные первая ключевая схема, первый формирователь импульсов, первый управляемый генератор треугольных импульсов, первый модулятор и сумматор, последовательно включенные вторая ключевая схема, второй формирователь импульсов, второй управляемый генератор треугольных импульсов и второй модулятор, выход которого подсоединен к второму входу сумматора, последовательно соединенные третья ключеваг. схема, третий формирователь импульсов и блок автоматической регулировки усиления, последовательно включенные управляемый генератор прямоугольных импульсов и третий модулятор, последовательно соединенные управляемый генератор трапецеидальных сигналов и четвертый модулятор, а также первый, второй и третий генераторы синусоидальных сигналов, генератор шума, преобразователи скорости сокращения насоса, расхода жидкости и давления жидкости в электрические сигналы, блок управления амплитудой и частотой сигналов, причем первый и третий разомкнутые контакты подсоединены к входу :первой ключевой схемы, второй и четвертый контакты - к входу второй ключевой схемы, а пятый контакт - к входу третьей ключевой схемы, вход генератора прямоугольных импульсов подключен к входу первого генератора треугольных импульсов, а вход генератора трапецеидальных сигналов - к входу второго генератора треугольных импульсов, при этом второй выход третьего формирователя импульсов соединен с вторым входом первого генератора треугольных импульсов, первый, второй, третий и четвертый выходы блока автоматической регулировки усиления подключены к управляемым входам соответственно генератора прямоугольных импульсов, первого генератора треугольных импульсов, второгоВгенератора треугольных импульсов игенератора трапецеидальных сигналов, причем первьпЪ, второй и третий входыблока управления подключены соответственно к выходам преобразователейскорости сокращения насоса, расходажидкости и давления жидкости, первыйвыход блока. Управления через первыйгенератор синусоидальных сигналовподсоединен к второму входу третьегомодулятора, второй выход блока уп 127149311ранления через второй генератор синусоидалъных сигналов - к второму входу второго модулятора, третий выход блока управления через генератор шума - к второму входу четвер 12того модулятора, а четвертый выход блока управления через третий генератор синусоидальных сигналов - к второму входу первого модулятораЬ.Г д-и Составитель А. Сазоноведактор И. Горная Техред А,Кравчук. КорректорМ, Де ектная, 4 оизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород 1 у 6270/6 ВНИИПИ п 113035, Тираж 660Государственногоделам изобретенисква, Ж, Раущ Подписноеомитета СССРи открытийая наб д. 4/5