Устройство для определения собственных параметров резонирующих тел

СОЮЗ СОБЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 19) 01) м 4 А 61 В 5/05 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(56) Авторское свидетельство СССР У 865274, кл, А 61 В 5/05, 1979. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯСОБСТВЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕЗОНИРУЮЩИХ ТЕЛ(57) Изобретение относится к медицинской технике, Цель изобретения - сокращение времени и повьппение точности измерения параметров. Устройст во содержит сканирующий генератор 1, приемник колебаний, усилитель,блок фиксации максимума резонанснойкривой (БФМ) 6, первую линию задержки 7, первый коммутатор 8, вычислительный блок 9, блок индикаторов частоты и добротности 10 и возбудительколебаний 11. БФМ содержит первыйформирователь импульсов, первый триггер, первый и второй элементы, первый и второй ключи, первый и второйпиковые детекторы, инвертор, второйформирователь импульсов, второй коммутатор, третий ключ, блок сравнения. Применение одного сканирующегогенератора при наличии несколькихприемников колебаний позволяет проводить одновременное измерение собственных параметров нескольких мьппц.2 з,п. ф-лы, 3 ил.9823 2Известно, что об упруговязкихсвойствах мьппцы.несут информацию такие ее параметры, как собственнаячастота колебаний мышцы у и добротность Я (величина, обратно пропорпиональная декременту затухания колебаний), которые могут быть измереныпри возбуждении в мышце как в резонирующем теле, собственных колебаний.1 О Сканирующий генератор с изменяющейся по линейному закону частотой выходного напряжения через возбудительколебаний осуществляет возбуждениеколебаний резонирующего тела (мьппцы).15 Если диапазон сканирования генератора перекрывает диапазон значенийчастот, в котором могут находитьсязначения частот собственных колебаний мьппцы, то в этом случае на выхо де приемника колебаний гарантированно возникает сигнал, огибающая которого соответствует резонансному пику амплитудочастотной характеристики (АЧХ) резонатора, по которому мож но определить значение собственнойчастоты колебаний и добротность, Приочень малой скорости изменения частоты сканированияможно получитьна выходе приемника колебаний стати ческую АЧХ резонирующего тела, однако такой режим малоприемлем из-забольного времени, требуемого для прохождения всего частотного диапазона.Поэтому имеет смысл осуществлять быстрое сканирование той области частотной характеристики резонирующего1тела, в которой находится резонансный пик. При быстром изменении частотно-модулированного сигнала скани рующего генератора на выходе приемника колебаний появляется динамическая АЧХ резонатора, которая можетотличаться от статической АЧХ (статическая АЧХ - это АЧХ, снимаемаяпри бесконечно. малой скорости сканирования). Отличие проявляется в смешении положения максимума АЧХ, появлении асимметричности. Резонансная частота динамической и статической АЧХ резонирующего тела связана следующей зависимостью: дин с,(1 - Б)55Принцип работы устройства для определения собственных параметров резонирующих тел заключается в следующем. 131Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и можетбыть использовано для измерения собственных параметров резонирующих тел,в частности в медицинской технике длядиагностики мьппечного аппарата паци"ента.Целью изобретения является сокращение времени и повьппение точностиизмерения параметров,На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 "схема сканирующего генератора; нафиг, 3 - функциональная схема блокафиксации максимума резонансной кривой (БФМ); на фиг. 4 - амплитудно-частотная характеристика резонирующеготела при возбуждении его сигналом отсканирующего генератора; на фиг, 5 временные диаграммы работы блока БФМ;на фиг. 6 - схема второго коммутатора; на фиг. 7 - функциональная схемавычислительного блока,Устройство для определения собственных параметров резонирующих телсодержит сканирующий генератор 1,состоящий из интегратора 2 и управляемого генератора З,.приемник 4 колебаний, усилитель 5, блок 6 фиксации максимума резонансной кривой(БФМ), первую линию 7 задержки, первый коммутатор 8, вычислительный блокч9, осуществляющий вычисление значения частоты колебаний по периоду ндобротности резонирующего тела, блок10 индикаторов частоты и добротности и возбудитель 11 колебаний.БФМ 6 (фиг, 3) содержит первыйформирователь 12 импульсов, первыйтриггер 13, первый 14 и второй 15элементы И первый 16 и второй 17 ключи, первый 18 и второй 19 пиковыедетекторы, инвертор 20, второй формирователь 21 импульсов, второй ком.мутатор 22, третий ключ 23, блок 24сравнения. Вычислительный блок (фиг. 7) содержит измеритель 25 частоты по периоду, счетчик 26, сдвиговый регистр 27, второй триггер 28, реверсивный счетчик 29, перемножитель 30, блок 31 масштабирования, делитель 32 частоты, вторую 33 и третью 34 линии задержки. где 8=4 - - смещение положениягмаксимума АЧХ резонатора при возбужде нии частотно-модули рованным сигналом(динамическое возбуждение);Б - величина, зависящаяот скорости изменения частотно-модулированного сигнала Ъи собственных параметров резонатора,При изменении направления сканирования возбуждающего сигнала при его О постоянной скорости абсолютные значения сдвигов резонансной кривой остаются прежними, а направления сдвигов относительно статического резонанса противоположными: 15 Аин4(1+Б) при "1 О1 Аин 2 У(1 Б) ПРИ 320 /1/ = (Ъг/Осредняя результат двух измерений при разных направлениях сканирова О ния, можно получить значение собственной частоты колебаний резонирующего тела АИН,+ НН 2Ы и Ао д Делая простые преобразования, из выражения (1) можно получить следующую зависимость: У,4 Анн о(3) т.е, вычисляя значения иАи ц, в текущий момент времени и зная фиксированное значение скорости сканирования(Ъ постоянна), можно вычислить добротность резонирующего телаЯ. БФМ осуществляет фиксацию момента прохождения максимума динамичес" . кой АЧХ при возбуждении в мьппце коле О баний, а вычислительный блок измеряет значение частоты сканирующего генератора, равное в этот момент резонансной частоте мьппцы при динамичес. ком возбуждении, и производит вычисление собственных параметров мьппцы по формулам (1)-(3).Устройство для определения собственных параметров резонирующих тел работает следующим образом.В первоначальный момент времени сканирующий генератор 1 со строго фиксированным значением скоростичерез возбудитель колебаний 11 начинает возбуждать резонирующее тело (мьппцу),55"Ъ общем случае сканирующий гене;- ратор 1, на который подается сигнал с первого коммутатора 8, представля 823 4ет собой генератор 3, управляемыйлинейно изменяющимся напряжением, поступающим, например, с интегратора2. Принцип управления: если к интегратору 2 подключено положительноенапряжение, то напряжение управленияс интегратора 2 линейно растет и частота частотно-модулированного сигнала со сканирующего генератора 1также линейно растет. При отключенииисточника питания от входа интегратора 2 напряжение управления начинает линейно уменьшаться, направлениесканирования изменяется на противоположное, Приемник 4 колебаний воспри-нимает колебания резонирующего тела,которые через усилитель 5 поступаютна вход БФМ 6, В области совпаденияизменяемой частоты сканирующего генератора 1 и частоты собственных колебаний резонирующего тела наблюдаются резонансные явления (фиг. 4).БФМ 6 в момент прохождения максимума динамического резонанса формирует (2) 25 импульс, поступающий на второй входвычислительного блока 9 и дающий раэ.решение на измерение частоты сканирующего генератора 1 по периоду.Одновременно импульс с БФМ 6 поступает на вход первой линии 7 задержкии через времязадаваемое первойлинией 7, первый коммутатор 8 переключает направление сканирования генератора 1.Схема, поясняющая принцип работысканирующего генератора 1 и первого .коммутатора 8, показана на фиг, 2,1Первый коммутатор 8 в этом случае выполняет роль ключа, поочередно подключающего к входу интегратораразные уровни напряжения, Время овыбирается в зависимости от скорости сканирования Ъ и ширины резонансного пика таким образом, чтобы в об"ласть сканирования попадал толькоучасток АЧХ, непосредственно прилегающий к резонансному пику, Сканирующий генератор 1 начинает изменение,частотно-модулированного сигнала вобратную сторону. В момент достижениямаксимума резонансной кривой в обрат"ном направлении, БФМ 6 фиксируетмомент прохождения максимума и вырабатывает импульс, разрешающий измерение частоты и=и(1-Б) в этотмомент. Вычислительный блок 9 проводит измерение частоты ин в этотн 2момент времени, а также вычислениечастоты ц, и добротности по форму 131лам (1)-(3). После этого значения, И, иЯ фиксируются блоком 10 индика.торов.Принцип работы БФМ 6 заключаетсяв оценке амплитудных значений колебаний резонирующего тела и выработке сигнала в момент достижения максимального значения колебаний резонирующего тела, В этот момент частота сканирующего генератора 1 соот"ветствует частоте колебаний резонирующего тела. Для фиксации моментапрохождения максимума проводится измерение амплитудных значений соседних полуволн колебаний резонирующеготела (фиг. 4).БФМ 6 (фиг, 3-5) работает следующим образом.В первоначальный момент временинапряжение на первом и .втором пиковых детекторах 18 и 19 равно нулю.Напряжение с выхода сканирующегогенератора 1 через возбудитель 11колебаний начинает возбуждать мышцу,и на выходе усилителя 5 появляетсясигнал Х 1 (фиг, 4), огибающая которого соответствует динамической АЧХрезонатора. Первый формирователь 12импульсов формирует последовательность однополярных импульсов Х 2 изсинусоидального сигнала, поступающего с выхода сканирующего генератора 1, Первый триггер 13 обеспечиваетпопеременную подачу разрешающих импульсов на входы первого 14 и второго 15 элементов И. Для рассмотренияработы БФМ 6 используем временныедиаграммы (фиг. 5).Цикл измерений БФМ 6 включает всебя три такта,Такт 2 .Сигналом Х 5, поступающимс выхода первого элемента И 14, открывается первый ключ 16, и на первом пиковом детекторе 18 запоминается амплитудное значение напряженияпервой полуволны П(.1)=У,8 (фиг. 5).Такт 11. Сигналом Х 7, поступающим с выхода инвертора 20, открыва-.ется третий ключ 23, и на один извходов йтока 24 сравнения поступает1напряжение с первого пикового детектора 18 О, =Б(,1) и с второго пикового детектора 19 П,=О, причем принахождении второго коммутатора 22 впервоначальном положении напряжениес первого пикового детектора 18 поступает на первый вход блока 24сравнения, а напряжение с второгопикового детектора 19 - на второй50 55 дыдущее напряжение больше последующего, т.е. при У У, где и - номер сравниваемых полуволн (Х 1). В рассматриваемом случае импульс останова Х 9 формируется после сравнения полуволн "8" и "9". Импульс останова Х 9 используется для обнуления первого 18 и второго 19 пиковых детекторов, переключения направления сканирования генератора 1, а также для опреде. 982,3 6 вход блока 24 сравнения. Блоком 24сравнения может. служить компаратор, который вырабатывает импульсный сигнал, если напряжение на его первомвходе становится меньше напряжения на втором входе, т,е,г ав, 11 е 2 11 еьПеЦе 2 11 еы 110 так как 11(.1) ) О, то сигнала на выходе блока 24 сравнения нет,Такт 111. В конце второго тактавторой формирователь 21 (коротких)импульсов формирует сигнал Х 8, посту 15 пающий на второй коммутатор 22 икоммутирующий выходы первого и второго. пиковых детекторов 18 и 19 свходами блока 24 сравнения так, чтов момент последующего открытия третьего ключа 23 выход первого пикового детектора 18 оказывается соединенным с вторым входом блока 24 сравнения, а выход второго пикового детектора 19 - с первым входом блока25 24 сравнения.Импульсом Х 6, поступающим с выхо. -да второго элемента И 15, открывается второй ключ 17 и происходит запоминание амплитудного значения вто 30 рой полуволны (точка "2" на фиг. 4)на втором пиковом детекторе 19 исравнение значений напряжений первого и второго пиковых детекторов 18и 19 в момент открытия третьего ключа 23 импульсом Х 7. Поскольку в этомцикле измерений выход второго пикового детектора 19 скоммутирован с первым входом блока 24 сравнения, а выход пикового детектора 19 - с вторым40 входом блока 24 сравнениЯ и П 8=11812сигнала на выходе блока 24 сравнениянет. Аналогичным образом, происходитсравнение амплитудных значений полуБлок 24 сравнения формирует импульсостанова Х 9 в тот такт измерений,когда из двух сравниваемых амплитудных значений напряжений полуволн пре13198ления частоты сканирующего генератора 1 в этот момент времени вычислительным блоком 9.1Вычислительный блок 9 (фиг. 7) работает следующим образом. В момент прохождения максимума резонансной кривой импульс от БФМ 6 запускает измеритель частоты по периоду "25", который измеряет ча- Ю стоту сигнала по его периоду в данный момент времени. Полученное значение частоты Я=ы(1+8) записы-, вается в счетчик 26 и по положительному входу в реверсивный счетчик 15 29. Б момент обратного прохождения максимума резонансной кривой в счетчик 26 добавляется значение частоты ии= и(1-8), Поскольку при этом второй триггер 28 перебрасывается в 20 другое состояние, то это же значение частоты записывается и в реверсивном счетчике 29, но уже по отрицательному входу. Таким образом, после двух прохождений максимума ре эонансной кривой в счетчике 26 записано число, равное д, +аии,), а в реверсивном счетчике 29 - равное ЬУ=(О,-У ). После этого импульсом с делителя 32 частоты следования 30 импульсов на два содержимое счетчика 26 записывается в сдвиговый регистр 27 и сдвигается на один разряд вправо импульсом с делителя 32 частоты (это операция деления содержимого счетчика 26 на два). Полученный после этого результат И, поступает на блок 10 индикаторов и на блок, реализующий операцию умножения двухцифровых кодов - перемножитель 30 где проводится операция умножения содержимого реверсивного счетчика 29 на содержимое сдвигового регистра 27, т.е. (ьа у). Полученный при этом результат при извест ной и стабильной скорости сканирования Ъ ;пропорционален добротности исследуемого резонирующего тела, Зная значение скорости сканирования, можно подобрать коэффициент преобразования К блока 31 масштабирования таким образом, что на один из входов блока 10 индикаторов поступает значение цифрового кода в единицах добротности. Вторая и третья линии 33 и 34 задержки обеспечивают своевременную подготовку (обнуление) блоков 26, 27, 29, 30 к следующему циклу измерений. 23 8Погрешность измерения собственных параметров известного устройства определяется в основном аппаратУрной реализацией измерителя частоты и может достигать 5 Е.Погрешность измерения предлагаемого устройства определяется выбранным режимом и состоит из систематической погрешности, обусловленной смещением максимума динамической резонансной кривой от статической АЧХ резонатора; погрешности, обусловленной нестабильностью скорости сканирования; погрешности эа счет срабатывания схемы БФМ не в момент появления полуволны колебания резонирующего тела с максимальным значениемамплитуды резонатора, а в момент прихода Следующей полуволны; погрешности пиковых детекторов 18, 19, блока 24 сравнения, которые проявляются в неопределенности момента определения максимума резонансной кривой; погрешности измерения частоты измерителя 25 вычислительного блока 9,При двукратном измерении (как в предлагаемом устройстве) с последующим осреднением результата измерений составляющие погрешности значительно уменьшаются (первая и третья составляющие исчезают, а вторая и четвертая значительно уменьшаются), Так, при скорости сканирования=М =1 Гц/с и нестабильности - ==17 сум%маркое значение погрешности для рассматриваемого класса резонирующихтел (мышцы) составляет 1-2,5 Е,Сравним соотношение мощностей,требуемых для возбуждения колебанийрезонирующего тела с начальной амплитудой колебаний А при импульсномовозбуждении (известное устройство)и при возбуждении сигналом определенной частоты (возбуждение частотномодулированным сигналом),Мощность, затрачиваемая на возбуждение колебаний при импульсном возбуждении, равна0 импРимп р фгде Бип- значение напряжения прямоугольного импульса, подава емого в обмотку возбуждения (В);К - сопротивление обмотки возбуждения - (Ом) .9 .1319823 10При оптимальной длительности возбуж- Ф о р м у л а и з о б р е. т е н и я дающего импульса 1, =0,05 мс амплитуда колебаний Ав связана с напряжени. Устройство для определения соб ем прямоугольного импульса следующим ственных параметров резонирующих соотношением: тел, содержащее вычислительный блок Средняя мощность гармоническогосигнала равна БР2 К Для реальных значений параметровисследуемых резонирующих тел (добротность 1-5, оптимальная длительностьвозбуждающего сигнала 0,05 мс) отношение мощностей составляет Ао (1 ф 5 2) 11 имп КвоввКревогде К,К - коэфФициенты преобразования возбудителя коле.баний и резонирующего Ютела и зависяшие;К, - от типа возбудителя;К 1 ев - от места пр ложения импульсного воздействия,состояния кожного покрова,Для возбуждающего сигнала с частотой, совпадающей с частотой собствен-,1ных колебаний резонирующего тела,связь амплитуды колебаний мыщцы Ао 20и возбуждающего напряжения Б принимает вид Ао Ч 11 сКвозвКревогде Б " амплитудное значение напря" 25жения гармонического возбуждающего сигнала. Р , 2 О- "- - - -- ,- =5-10,Р, (1, 5-2)4 От.е, для возбуждения колебаний мьппцы с амплитудой А, в предлагаемомустройстве потребуется мощность в5-10 раз меньшая, чем при импульсном возбуждении (как в известном 45устройстве) до той же амплитуды,что значительно повьппает электробеэопасность устройства при исследовании живых тканей,50Кроме того, применение одного ска-,нирующего генератора для возбуждения при наличии нескольких приемников колебаний позволяет проводитьодновременное измерение собственных 55параметров нескольких мышц. Это может быть необходимо при экспресс-анализе состояния нескольких мьппц паци,ента. Э возбудитель колебаний и последовательно подключенные приемник колебаний и усилитель, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью сокращения времени и повышения точности измерения параметров, оно дополнительно содержит последовательно соединенные блок Фиксации максимума резонансной кривой, первую линию задержки, . первый коммутатор и сканирующий генератор, выход которого подключен к входу возбудителя колебаний и к первому входу вычислительного блока, второй вход которого соединен с входом первой линии задержки и с выходом блока фиксации максимума резонансной кривой, вход которого подключен к выходу усилителя, выходы вычислительного блока соединены с блоком индикаторов.2. Устройство по п. 1, о т л и - 1ч ающе е с я тем, что блокфиксации максимума резонансной кривой содержит первый и второйформирователи импульсов, первый триггер, первый и второй элементы И, первый, второй и третий ключи, первый и второй пиковые детекторы, инвертор, второй .коммутатор и блок сравнения, при. чем вход блока Фиксации максимума резонансной кривой соединен с первыми входами первого и второго ключа и с входом первого формирователя импульсов, выход которого подключен к входу инвертора, к первым входам первого и второго элементов И и к входу первого триггера, первый и второй выходы которого соединены с вторыми входами соответственно первого и второго элементов И, выходы которого подключены к вторым входам соответственно первого и.второго ключей, выходы каждого из которых через соот. ветствующий пиковый детектор соединены с первым и вторым входами второго коммутатора, третий вход которого через второй формирователь импульсов подключен к выходу инвертора и к первому входу третьего ключа, первый и второй выходы второго коммутатора соединены соответственно с вторым и третьим входами третьего ключа, первый и второй выходы которо. го подключены соответственно к первому и второму входам блока сравне13198ния, выход которого соединен с вторыми входами первого и второго пиковых детекторов и с выходом блока фик. сации максимума резонансной кривой.53. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что вычислительный блок содержит последовательно соединенные измеритель частоты по периоду, счетчик и сдвиговый ре гистр, последовательно подключенные второй триггер, реверсивный счетчик, перемножитель и блок масштабирования, последовательно соединенные делитель частоты, вторую линию задерж ки и третью линию задержки, первый вход измерителя частоты по периоду подключен к первому входу вычислитель 23 12ного блока, второй вход измерителя, частоты по периоду соединен с вторым входом вычислительного блока, с входом второго триггера и с входом делителя частоты, выход которого подключен к одиночному входу сдвигового .регистра, выход которого соединен с одним из выходов вычислительного блока и с вторыми входами перемножителя, одиночный вход которого подключен к выходу третьей линии задержки, вход которой соединен с одиночными входами счетчика и реверсивного счетчика, вторые входы которого подключены к выходам измерителя частоты по периоду и к входам счетчика, выход блока масштабирования соединен с другим выходом вычислительного блока, 11319823 Составитель М.ПластининТехред В,Кадар рректор Т,К Редактор Н,Швыдк Заказ 2539/2 исн н Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул, Проектная, 4,Тираж 595 ВНИИПИ Госуда по делам и 035, Москва,Ж-35, Раушск По омитета ССС открытий