Имитатор биосигналов

(51)4 А 61 В 5/02 5 04 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИН АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ(56) Авторское свидетельство СССР я 575087, кл. А 61 В 5/02, 1976,Голышев Е. И. Имитатор нормальной и патологической ЭКГ человека. Препринт Института прикладной математики АН СССР, М., 1977.(57) Изобретение относится к генераторам испытательных сигналов, предназначенным для контроля кардиологической аппаратуры, и позволяет сократить время формирования биосигналов. Имитатор биосигналов содержит блок 1 синхронизации, генератор 3, блок 2 задания параметров, блок 10 формирования функций, блок 11 умножения, сумматор 12, регистры 3 и 14 элемент 15 сравнения, элементы ИЛИ 16 и 18, счетчик 17, Блок 2 содержит переключатели, преобразователи, счетчик, элемент задержки, сумматор, блоки памяти, элемент И. Работа имитатора осуществляется в два этапа.Сначала потенциал, соответствующий имитируемому биосигналу, с блока 2 подается на вторые входы элементов ИЛИ 6 и 18, на третий вход сброса регистра 14, на первый вход генератора 3 формы биосигнала и на вход блока 1 синхронизации, с второго выхода которого импульсный сигнал подается во второй блок памяти. На втором этапе формируется биосигнал заданной формы, период которого изменяется во времени по заданному закону. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами имитатора позволяет повысить уровень автоматизации и сократить затраты времени и средств при проведении поверочных работ. 1 з.п. ф-лы 5 илИзобретение относится к медицинскому приборостроению, а именно к генераторам испытательных сигналов,предназначенным для контроля кардиологической аппаратуры.Цель изобретения - сокращение времени формирования биосигнапов.На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема имитаторабиосигналов; на фиг, 2 - структурнаяэлектрическая схема блока заданияпараметров; на Фиг, 3 - схема ждущего генератора формы биосигнала; нафиг. 4 - схема блока синхронизации;на фиг. 5 - схема функциональногопреобразователя,Имитатор биосигналов содержит последовательно соединенные блок 1 синхронизации, блок 2 задания параметров и ждущий генератор 3 формы биосигнала, первый вход которого также подключен к входу блока 1 синхронизации, второй выход которого соединен с вторым входом блока 2 задания параметров, в состав которого входят последовательно соединенные первый переключатель 4 и первый кодовый преобразователь 5, последовательно соединенные второй переключатель 6 и второй кодовый преобразователь 7, первый счетчик 8 импульсов и элемент 9 задержки, последовательно соединенные блок 10 формирования функций, блок 11 умножения, первый сумматор 12, первый регистр 13, второй регистр 14, элемент 15 сравнения, первый элемент ИЛИ 16 и второй счетчик 17 импульсов, второй вход которого подключен к третьему выходу блока 1 синхронизации, а выход - к второму входу элемента 15 сравнения, выход которого соединен с вторыми входами второго регистра 14 и ждущего генератора 3 формы биосигнала, выход которого подключен к выходной шине имитатора биосигналов, а первый вход - к второму входу первого элемента ИЛИ 16 и к третьему входу второго регистра 14, и второй элемент ИЛИ 18, первый вход которого соединен с четвертым выходом блока 1 синхронизации, а выход - с вторым входом первого регистра 13, выход которого подключен к второму входу первого сумматора 12, а третий и четвертый входы - соответственно к второму выходу и к второму входу блока 2 задания параметров, третий выкод которого соединен с входом блока 1 О формирования функций, четвертый выход - с вторым входом блока 11умножения, а первый выход - с вторымвходом второго элемента ИЛИ 18.Блок 2 задания параметров дополнительно содержит (фиг. 2) последо-,вательно соединенные третий переключатель 19, функциональный преобразо О ватель 20, первый блок 21 памяти,второй сумматор 22, элемент И 23 ивторой блок 24 памяти, выход которого подключен к входу блока 10 формирования Функций и к второму входувторого сумматора 22, а второй вход -к выходу элемента 9 задержки, входкоторого соединен с вторым выходомблока 1 синхронизации, третий блок25 памяти, выход которого подключен 20 к второму входу блока 11 умножения,первый вход - к выходу первого кодового преобразователя 5, а второйвход - к второму выходу функционального преобразователя 20 и к второмувходу первого блока 21 памяти, мультиплексор 26, выход которого соединен с третьим входом второго блока24 памяти, первый вход - с выходомпервого счетчика 8 импульсов и с третьими входами первого блока 21 памяти и третьего блока 25 памяти, а второй вход - с четвертыми входами первого блока 21 памяти, второго блока24 памяти и третьего блока 25 памяти 35 и с первым выходом блока 1 синхронизации, первый кнопочный ключ 27, подключенный к первому входу первогосчетчика 8 импульсов, второй кнопочный ключ 28, подключенный к вторым 40 входам первого счетчика 8 импульсови функционального преобразователя 20,и тумблер 29, подключенный к второмувходу элемента И 23, к третьему входу мультиплексора 26 и к входу блока 45 1 синхронизации, причем выход второго кодового преобразователя 7 соединен с третьим входом первого регистра 13.В предпочтительном варианте выполнения имитатора биосигналов ждущийгенератор 3 формы биосигнала содержит (фиг. 3) последовательно соединенные элемент И 30, первый и второйвходы которого подключены соответственно к второму и первому входам первого элемента ИЛИ 16, триггер 31,элемент И 32, счетчик 33 импульсов,блок 34 памяти и цифроаналоговый пре3 12894 образователь 35, выход которого соединен с выходной шиной имитатора биосигналов, элемент 36 задержки, подключенный между вторым выходом и вторым входом счетчика 33 импульсов, 5 второй выход которого соединен с вторым входом триггера 31 и генераторов 37 импульсов, подключенный к второму входу элемента И 32. Блок 1 синхронизации может быть выполнен в виде 10 (фиг. 4) последовательно соединенных генератора 38 импульсов, счетчика 39 импульсов и дешифратора 40, первый выход которого подключен к второму входу второго счетчика 17 импульсов, а второй выход - к первому входу второго элемента ИЛИ 18, причем выход, первый вход и второй вход счетчика 39 импульсов соединены соответственно с первым входом, вторым входом и 20 первым выходом блока 2 задания па-. раметров.Функциональный преобразователь 20 в предпочтительном варианте выполнения содержит (фиг. 5) последовательно соединенные дифференциатор 41, вход которого подключен к выходу второго кнопочного ключа 28, триггер 42, элемент И 43 и блок 44 деления, первый выход которого соединен с первым 30 входом первого блока 21 памяти, второй выход - с вторыми входами триггера 42 и первого блока 21 памяти, а второй вход - с шиной постоянного кода, кодовый преобразователь 45, выход которого подключен к третьему входу блока 44 деления, а вход - к выходу третьего переключателя 19, и генератор 46 импульсов, выход которого соединен с вторым входом эле мента И 43.Имитатор биосигналов осуществляет формирование требуемого биологического сигнала (например, электрокардиограммы) заданной,формы, период 45 которого изменяется во времени по заданному закону Т(С). Функция Т(С) в общем случае определяется выражением Т(С)=Ао+Апзп 2" Сфд50 Ьгде Ад - средний период повторения биосигнапа (например, среднее значение кардиоинтервала); А - амплитуда и-й волны; 9 - длина л-й волны ими тируемого биологического ритма.Для электрокардиосигнала с учетом того, что частота сердечных сокращений может принимать значения ат 30 51 4до 200 ударов в минуту, величина А лежит в диапазоне от двух секунд до 0,3 с, амплитуды А волн кардиоритма - от нуля до 0,2 с, а длинаволн кардиоритма - от двух секунд до тысяч секунд.Имитатор биосигналов работает по принципу дискретного представления функции Т(С) биологического ритма Т(1.дС)=А +А з 3.пс ( ) где х=1,2, 3 к =2 т ЬС /%- текущий аугумент и-й волны; ЬС=1/Гт период тактовой частоты Г , значение которой определяется требуемой погрешностью воспроизведения биологического ритма, Например, значение Г может быть выбрано равным 1 кГц.Работа имитатора биосигналов осуществляется в два этапа, определяемые положением тумблера 29 (фиг. 2) блока 2 задания параметров. На первом этапе производится задание параметров имитируемого биосигнала, их преобразование и запоминание в определенной последовательности, а также подготовка имитатора биосигналов к осуществлению второго этапа, на котором производится формирование сигнала с заданной функцией биоритма,На первом этапе тумблер 29 подключает соответствующий уровень потенциала через первый выход блока 2 задания параметров на вторые входы элементов ИЛИ 16 и 18, на третий вход сброса второго регистра 14, на первый вход ждущего генератора 3 формы биосигнала и на вход блока 1 синхронизации. При этом производятся следующие операции: формирование через второй элемент ИЛИ 18 команды перевода первого регистра 13 на прием по третьему (информационному) входу двоичного значения кода А поступающего с второго выхода блока 2 задания параметров; сброс второго регистра 14; блокировка запуска ждущего генератора 3 формы биосигнала; формирование сигнала останова второго счетчика 17 импульсов, поступающего на его первый вход (сброса) через первый элемент ИЛИ 16; останов счетчика 39 импульсов блока 1 синхронизации (фиг. 4) через его второй вход (сброса). Кроме того, уровень потенциала с выхода тумблера 29 производит переключение мультиплексора 26 в режим передачи информации, пос1289451 5тупающей от первого счетчика 8 импульсов, и блокировку информации повыходу элемента И 23 (фиг. 2 ). Занесение кода А в первый регистр 13 осуществляется импульсами частоты (п+1)Г , поступающими на четвертый вход (записи) первого регистра 13 с второго выхода блока 1 синхронизации.Установка параметров имитируемого биосигнала А,А,.,А и Ъ, Япроизводится соответственно вторым, первым и третьим переключателями 6, 4 и 19 блока 2 задания параметров (фиг, 2). Дискретность переключателей 4, 6 и 19 определяется величиной погрешности задания функции биоритма Т(1), а разрядность - максимальными значениями среднего периода А о биосигнала, амплитуд Аи длин Ъ, волн биоритма. С первого переключателя 4 двоично-десятичный код А поступает на первый кодовый преобразователь 5, формирующий соответствующий двоичный код, который подается на первый(информационный) вход третьего блока 25 памяти. Задание среднего периода Аи его преобразования в двоичныйкод производится с помощью второго переключателя 6 и второго кодового преобразователя 7 аналогично заданию кода амплитуд А, Двоично-десятичный код длиныволны биоритма с третьего переключателя 19 поступает напервый вход функционального преобразователя 20, с первого выхода которого двоичный код начального аргументаи-й волны М , преобразованный в соответствии с выражением к , =21/Ъпоступает на первый (информационный)вход. При нажатии второго кнопочногоключа 28 перепад потенциала поступает на второй вход функционального преобразователя 20 и на второй (счетный) вход первого счетчика 8 импульсов, увеличивая его содержимое на единицу. При этом перед началом задания параметров имитируемого биосигнала производится сброс первого счетчика 8 импульсов нажатием первого кнопочного ключа 27. Выходной код первого счетчика 8 импульсов поступает на третьи входы (адреса записи) первого и третьего блоков 21 и 25 памяти и через мультиплексор 26 на третий вход второго блока 24 памяти, Импульс, формируемый по переднему фронту перепада потенциала дифференциатором 41 (фиг. 5) функционального преобразователя 20, производит установку триггера 42 в единичное состояние, тем самым обеспечивая прохождение импульсов с выхода генератора 46 импульсов через элемент И 43 на первый вход (синхронизации) блока 44 деления, Последний осуществляет деление подаваемой на его второй вход константы, равной 27 ьС и выраженной в двоичном коде, на двоичное значе ние кода длины 9 волны биоритма,ипоступающее от кодового преобразователя 45, По окончании операции деления блок 44 деления вырабатывает импульс, который производит установку 15 триггера 42 в нулевое состояние и,поступая с второго выхода функционального преобразователя 20 на вторые входы (записн) первого и третьего блоков 21 и 25 памяти, производит 20 запись параметров А н о соответпственно в третий блок 25 памяти и первый блок 21 памяти. Установленная на выходе элемента И 23 нулевая информация заносится во второй блок 25 24 памяти импульсами частоты (и+1)Г.,поступающими через элемент 9 задержки с второго выхода блока 1 синхронизации.На втором этапе тумблер подключа ет соответствующий уровень потенциала на первый выход блока 2 задания параметров, который снимает сброс с второго регистра 14 и дает разрешение по входу 25 на запуск ждущего ге нератора 3 формы биосигнала по егопервому входу. Элемент 15 сравнения вырабатывает сигнал сравнения нулевого содержимого предварительно сброшенных на первом этапе второго ре гистра 14 и второго счетчика 17.Этот сигнал сравнения поступает навход сброса второго счетчика 17 импульсов через первый элемент ИЛИ 16, на второй вход (записи) второго ре гистра 14 и на вТорой вход ждущегогенератора 3 формы биосигнала, Сигнал сравнения производит запуск ждущего генератора 3 формы биосигнала и перепись из первого регистра 13 кода А во второй Регистр 14, при этом через время записи информации во второй регистр 14 и время срабатывания элемента 15 сравнения сигнал сравне.ния прекращается и тем самым снимается сброс с второго счетчика 17 импульсов. Тогда второй счетчик 17 им" пульсов начинает насчитывать импульсы частоты Г , поступающие с первого выхода дешифратора 40 блока 1 синхро 1289451низации и при достижении содержимого второго счетчика 17 импульсов значения кода Ац, хранящегося во втором регистре 14, элемент 15 сравнения формирует второй импульс сравне ния, по которому вновь производится запуск ждущего генератора 3 Формы биосигнала, сброс второго счетчика 17 импульсов и запись во сторой регистр 14 нового значения кода време ни запуска, сформированного к этому моменту времени и занесенного в первый регистр 13. Затем данный цикл работы периодически повторяется с последующими значениями кода времени запуска Т(хаС), выраженными в двоичном кодеДля формирования кода времени запуска Т(х 111) производится последовательное считывание значений А А Ю из третьего блока 25 памяти и синхронное с ним вычисление кодов К, , К, с помощью первого и второго блоков 21 и 24 памяти второго сумматора 22 и элемента И 23 (Фиг.2), При этом адреса считывания первого, второго и третьего блоков 21, 24 и 25 памяти и адрес записи второго блока 24 памяти, поступающий через мультиплексор 26, циклически Форми-, 30 руются счетчиком 39 на первом выходе блока 1 синхронизации. Второй сумматор 22, выход которого через элемент И 23 на втором этапе подключается к первому (информационному) входу вто рого блока 24 памяти, совместно. с первым и вторым блоками 21 и 24 памяти выполняет следующую итерационную операцию:о ф п о(1-0 )40 где ос=О.Значение начального аргумента с хранится в первом блоке 21 памяти, а промежуточный результат - во втором блоке 24 памяти. Запись резуль тата вычисления текущего аргументаи во второй блок 24 памяти осуществляется импульсами частоты (и+1)Г, поступающими с второго выхода блока 1 синхронизации через элемент 9 за держки, который обеспечивает задержку записи информации на время выполнения операции суммирования вторым сумматором 22Значения текущегоаргумента М, с третьего выхода блока 2 задания параметров поступают на вход блока 10 формирования Функций, с выхода которого значения Функций в 1 пк, поступают на первый вход блока 11 умножения, на второй вход которого с четвертого выхода блока 2задания параметров подаются значения А. Вычисленные произведения А зпПс интервалам тактирования 1/(п+1)Г поступают на первый вход первого сумматора 12, который за время а 1, производит и последовательных суммирований с содержимым первого регистра13, причем в такте п=О, определяемом моментом времени и Формирования тактового импульса частоты Т., по второму выходу дешифратора 40 блока 1синхронизации, в первый регистр 13записывается значение среднего пери.ода А биосигнала, поступающее на третий (информационный) вход первого регистра 13 с второго выхода блока 2 задания параметров, при этом второй элемент ИЛИ 18 Формирует команду на прием информации первым регистром 13 по его третьему (информационному) входу на время записи кода А. После выполнения операций суммирования на выходе первого регистра 13 вырабатывается за каждый тактовый интервалзначение кода времени запуска в соответствии с выражением (2).Форма имитируемого биологического сигнала (например, РР 8-комплекс и зубцы Р и Т электрокардиограммы), представленная мгновенными значениями амплитуд, выраженными в двоичном коде, хранится в блоке 34 памяти (Фиг. 3). При наличии разрешающего потенциала (второй этап) на первом входе ждущего генератора 3 формы биосигнала импульс запуска, поступающий на его второй вход, проходит через элемент И 30 и устанавливает триггер 31 в единичное состояние, а единичный выход триггера 31, управляя элементом И 32, обеспечивает при этом прохождение импульсов от генератора 37 импульсов на (счетный) вход счетчика 33 импульсов. Счетчик 33 импульсов Формирует адреса считывания блока 34 памяти и по окончании цикла считывания, определяемого установкой в единицу старшего разряда счетчика 33 импульсов, производит установку в нулевое состояние триггера 31, а через элемент 36 задержки ссуществляет собственный сброс, Цифроаналоговый преобразователь 35 преобразует записанный в блоке 34 памяти сигнал в аналоговую Форму.Таким образом, предлагаемый имитатор биосигналов формирует испыта 28945 0тельный сигнал заданной формы, период которого изменяется во времени по заданному закону, Применение имитатора биосигналов при испытаниях аппаратуры статистической и спектрально корреляционной обработки биологических сигналов позволяет повысить уровень автоматизации и сократить затраты времени и средств при контроле качества и при проведении поверочных О работ.Формула изобретения1. Имитатор биосигналов, содержащий последовательно соединенные блок синхронизации, блок задания параметров и ждущий генератор формы биосигнала, первый вход которого также подключен к входу блока синхронизации, 20 второй выход которого соединен с вторым входом блока задания параметров, в состав которого входят последовательно соединенные первый переключатель и первый кодовый преобразователь последовательно соединенные второй переключатель и второй кодовый преобразователь, первый счетчик импульсов и элемент задержки, о т л и ч, аю щ и й с я тем, что, с целью сокращения времени формирования биосигналов, в него введены последовательно соединенные блок формирования функций, блок умножения, первый сумматор, первый регистр, второй ре гистр, элемент сравнения, первый элемент ИЛИ и второй счетчик импульсов, второй вход которого подкпючен к третьему выходу блока синхронизации, а выход - к второму входу элемента 40 сравнения, выход которого соединен с вторыми входами второго регистра и ждущего генератора формы биосигнала,. выход которого подключен к выходной шине имитатора биосигналов, а первый 45 вход - к второму входу первого элемента ИЛИ и к третьему входу второго регистра и второй элемент ИЛИ, первый выход которого соединен с четвертым выходом блока синхронизации, а 50 выход - с вторым входом первого регистра, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, а третий и четвертый входы - соответственно к второму выходу и к второму входу блока задания параметров, третий выход которого соединен с входом блока формирования функций, четвертый выход - с вторым входом блока умножения, а первый выход - с вторымвходом второго элемента ИЛИ.2. Имитатор по и, 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что в нем блок задания параметров дополнительно содержит последовательно соединенные третий переключатель, функциональный преобразователь, первый блок памяти, второй сумматор, элемент И и второй блок памяти, выход которого подключен к входу блока формирования функций и к второму входу второго сумматора, а второй вход - к выходу элемента задержки, вход которого соединен с вторым выходом блока синхронизации, третий блок памяти, выход которого подключен к второму входу блока умножения, первый вход - к выходу первого кодового преобразователя, а второй вход - к второму, выходу функционального преобразователя и к второму входу первого блока памяти,мультиплексор, выход которого соединен с третьим входом второго блока памяти, первый вход - с выходом первого счетчика импульсов и с третьими входами первого блока памяти и третьего блока памяти, а второй вход - с четвертыми входами первого блока памяти, второго блока памяти и третьего блока памяти и с первым выходом блока синхронизации, первый кнопочный ключ, подключенный к первому входу первого счетчика импульсов, второй кнопочный ключ, подключенный к вторым входам первого счетчика импульсов и функционального преобразователя, и тумблер, подключенный к второму входу элемента И, к третьему входу мультиплексора и к входу блока синхронизации, причем выход второго кодового преобразователя соединен с третьим входом первого регистра.ПодписноР Произв олиграфич ое предприятие, г, Ужгород, ул, Проектн вен Заказ 7834/3ВНИИПИ Госупо дела1,13035, Москв омитета СС открытийая наб д