Имитатор физиологических сигналов

 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к кардиоимитаторам гемодинамических процессов в системе кровообращения. Цель изобретения - повьшение точности и достоверности воспроизведения одновременно задаваемого комплекса имитируемых сигналов. Устройство содержит пульсирующий насос со статором и ротором, открытую, всасывающую и нагнетательную камеры, предохранительный клапан. Первый резервуар заполнен жидкостью, а второй - газом. Кроме того, устройство содержит первый, второй и третий формирователи импульсов , первый и второй генераторы треугольных-импульсов, модуляторы, сумматор, генератор прямоугольных импульсов, генератор трапецеидальных сигналов, генераторы синусоидальных сигналов, блок автоматической регулировки усиления, блок управления амплитудой и частотой сигналов, преобразователи скорости сокращения насоса , расхода жидкости и давления жидс Ф кости в электрические сигналы. Амплитудные и частотные признаки физиоло (Л гических сигналов, соотношения уровней их отдельных составляющих, временные и фазовые соотношения могут быть подобраны в зависимости от целевого назначения приборов путем использования имеющихся регулировок. 2 ил. IND со со

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУ БЛИН (дц 4 А 61 В 5/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3914011/28-14 (22) 22.05.85 (46) 23 ° 11 86. Бюл. В 43 (72) В.С. Бедненко и В.В. Литовченко (53) 615.47(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 939013, кл. А 61 M 1/03, 1982. (54) ИИИТАТОР ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ (57) Изобретение относится к медицинской технике, а именно к кардиоимитаторам гемодинамических процессов в системе кровообращения. Цель изобретения — повьппение точности и достоверности воспроизведения одновременно задаваемого комплекса имитируемых сигналов. Устройство содержит пульсирующий насос со статором и ротором, открытую, всасывающую и нагнетательную камеры, предохранитель„„SU„„1271493 А1 ный клапан. Первый резервуар заполнен жидкостью, а второй — газом. Кроме того, устройство содержит первый, второй и третий формирователи импульсов, первый и второй генераторы треугольных импульсов, модуляторы, сумматор, генератор прямоугольных импульсов, генератор трапецеидальных сигналов, генераторы синусоидальных сигналов, блок автоматической регулировки усиления, блок управления амплитудой и частотой сигналов, преобразователи скорости сокращения насоса, расхода жидкости и давления жидкости в электрические сигналы. АмплиЮ тудные и частотные признаки физиологических сигналов, соотношения уровней их отдельных составляющих, временные и фаэовые соотношения могут быть подобраны в зависимости от целевого назначения приборов путем использоI вания имеющихся регулировок. 2 ил.

1271493

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к кардиоимитаторам 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 физиологи1 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 соответственно скорости 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 имитатора прерывистый поток жидкости, имитирующий пульсации давления в сосудах организма и вытекающий в нагнетательную камеру 6. Величина среднединамической составляющей давления контролируется манометром 27, под20 ключенным через дроссель 30. Компрессор 31 предусмотрен для изменения давления в камере при необходимости увеличить или уменьшить эластичность аналога аортальной системы. Выходящий из камеры пульсирующий поток контролируется расходомером 25. Предохранительный- клапан 7 осуществляет защиту имитатора от повреждений при форсированной работе насоса и больших значениях входного сопротивления системы.

Гидравлический сигнал, разветвляясь, через регулируемые гидросопротивления. 13 и 14, имитирующие сопротивления сосудистого русла и соз5 дающие перераспределение аналога крови, по штуцерам поступает на эластично-упругие трубки 15 и 17. Первая из трубок является аналогом общей сонной, а вторая — подключичной артерии. Обе они расположены внутри жесткого резервуара 8, заполненного жидкостью. Жидкость, моделирующая эластические свойства органов и тканей, расположенных в верхней части грудной клетки и влияющих на скорости изменения статического объема сосудов и расхода крови, играет роль демпфера. Компрессор 32, соединенный с полостью резервуара, имитирует о изменения внутригрудного давления, имеющие место в реальных условиях (например, за счет дыхания). Таким образом, поток, состоящий из ослабленных пульсаций, наложенных на медленно меняющиеся "дыхательные волны", из трубок 15 м 17 подается через штуцера соответственно на эластично-упругие трубки 16 и 18, первая

1271493 из 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- 10 ческого объема сосудов шеи и расхода крови в них. С выхода трубки 16 сум— марный сигнал, отражающий изменения внутригрудного и атмосферного давлений, совместно с компонентами пуль-15 саций через жесткую емкость 10 выполняющую роль накопительной и моделирующую свойства пазух твердой мозговой оболочки, поступает на мягкие емкости 23 и 24, имитирующие депони- 20 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- 25 лирует перераспределение жидкости (в основном, медленно меняющихся составляющих потока) при функциональ ных переполнениях одной из сосудистых ветвей. 30

С 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 ре35 зервуара 9, в полости которого колебания трубок 16, 18, 21 и 22 суммируются: к компонентам аналога артериальных пульсаций и медленно меняю10 щихся составляющих внешнего давления добавляются динамические компоненты венного пульса.

С трубок 21 и 22 сигналы поступают .на эластичные трубки 19 и 20. Первая45 из них является аналогом системы безымяннь1х и верхней полой вен, а вторая — подключичных вен. В полости резервуара 8 пульсовые колебания аналогов сосудов 15, 17, 19 и 20 сумми- 50 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 Ютужит для контроля величины давления во всасывающей части устройства.

С помощью поворотной платформы 11 с расположенными на ней элементами достигается 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 части 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 t:2: 1:2:1. Этот ряд чисел соответствует соотношениям длительностей фаз сердечного цикла .

Н/g И/Р/Нg/CÏ. Замыкание первого неподвижного контакта 35 вызывает срабатывание первой ключевой схемы 40, что приводит к запуску первого формирователя 41, выдающего стандартизи-1271493

45

5 рованный 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 k 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 третьего генератора 58 синусоидальных сигнаов. В моменты совпадения во времени синусоидальных сигналов и треугольного видеоимпульса формируется сигнал Д, как аналог составляющей

УЗДК в фазе напряжения. Уровень сиг- . нала Д при этом определяется величиной k2»„ . Одновременно с формированием сигнала Д генератором 52 вырабатывается прямоугольный видеоимпульс, поступающий на один из входов третьего модулятора 53. Коэффициент k передачи выходного сигнала генератора 52, задаваемый с блока 51, при этом (так же, как: и для сигнала Д) принимает минимальное мк рой вход модулятора 53 подаются гармонические сигналы с первого генератора 56 синусоидальных сигналов, в результате формируется аналог 1 тона ФКà — В с уровнем, пропорциональным значению kq „„„ .

В момент замыкания подвюкным контактом 34 второго неподвижного контакта 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 модуляторы. Коэффициент k5 передачи выходного сигнала генератора 47, задаваемый с блока 51, в этот период принимает минимальное значением амин (фиг. 2, О), а коэффициент k„ передачи генератора 54 — максимальное значение k,„ „ (П). На второй вход второго модулятора 48 поступают синусоидальные колебания с. второго

Ь генератора 57 синусоидальных сигналов, а на второй вход четвертого модулятора 55 — шумоподобные сигналы с выхода генератора 59 шума. В результате на выходе модулятора 48 формируются импульсы Е, представляющие собой аналог составляющих УЗДК в фа-. зе изгнания (с уровнем, соответствующим значению k>„„„ ), а на выходе

1О модулятора 55 — сигналы К вЂ” аналог составляющей УЗДВ в период систолы (с размахом, пропорциональным kq ). макс

В момент времени, соответствующий окончанию сигналов Q u K 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 k u k прини1:. ..Ъ мают максимальные значения k и

1 макс

1с „„, à kq — минимальное 1с „ мкк

При замыкании контактом 34 третьего подвижного контакта 37 происхо25 дит вторичное (в пределах одного сердечного цикла) срабатывание первой ключевой схемы 40 и первого формирователя 41 с последующей работой генераторов 42, 52, 58, 56 и модуляторов 43 и 53 аналогично их работе при первом срабатывании (то есть от контакта 35). Таким образом формируестя аналог к составляющей УЗДК в фазе расслабления и аналог Г второго тона РКГ с уровнями, пропорциональными соответственно 1с и

2 мин

1с макс

При замыкании контактом 34 четвертого 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 k „„„ è УЗДВ), в период диастолы Л (с размахом, пропорциональным

1 1 ик

При замыкании контактом 34 пятого неподвижного контакта 39 происходит срабатывание третьей ключевой схемы .

49 и запуск третьего формирователя

50. Сигнал, поступающий с формирователя 50 на блок 51 автомати1271493

7 ческой регулировки усиления, вызывает срабатывание цепей управления режимом работы блока и зада ние коэффициентов передачи k

k»«ñ. ю k „» ° k÷,макс. ° Кроме То 5

ro сигнал с выхода формирователя поступает на второй вход первого генератора 42 треугольных импульсов.

При этом на выходе генератора 42 формируется треугольный видеоим- 1р пульс, который далее в первом модуляторе 43 с помощью второго генератора 48 преобразуется в сигнал И, соответствующий аналогу составляющей

УЗДК в период систолы предсердий 1 (с уровнем, соответствующим kz «, ).

В момент времени, соответствующий окон-анию сигнала И, в блоке 51 с помощью времяэадающего элемента и цепей коммутации осуществляется его ур перевод в режим работы, при котором принимает минимальное значение.

За период сердечного цикла на обобщенных выходах "Вых 1" и "Вых 2" модуляторов 53 и 55 объединяются, 25 соответственно, компоненты В-Г и

К-Л, образуя сигналы аналогов ФКГ и УЗДВ. Компоненты Д, Е, Ж, 3, И объединяются с помощью сумматора 44, сигналы Д, Ж, И поступают на один gp из его входов, а Е и 3 — на второй вход, 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 амплитуд- О ными и частотными признаками.

На входы измерительных каналов полиграфа аналоги сигналов ФКУ, УЗДК, УЗДВ подаются синхронно с тест-сиг45 налами аналогов центрального пульса

А и венозно-артериальной пульсограммы сосудов шеи Б.

В процессе работы имитатора преобразователи 60-62 соответственно скорости сокращения насоса, расхода жид50 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 генераторов синусоидальных сигналов и генерато ра 59 шума. При этом соответственно с вариациями скорости сокращения насоса, расхода жидкости и давления жидкости изменяются уровни и частотный состав составляющих аналогов ФКГ, УЗДК, УЗДВ.

Полученные с помощью имитатора синхронно, в едином масштабе времени, аналоги центрального пульса, венозно-артериальной пульсограммы, ФКГ, УЗДК, УЗДВ могут быть использованы при настройке, градуировке, калибровке и поверке полиграфов.

Амплитудные и частотные признаки физиологических сигналов, соотношения уровней их отдельных составляющих, временные и фазовые соотношения могут быть подобраны в зависимости от 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 вазможности 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 среды

1271493

Формула изобретения

Имитатор физиологический сигналов, содержащий пульсирующий насос со статором и ротором, открытую, всасывающую и нагнетательную камеры, предохранительный клапан, первый резер35 вуар, заполненный жидкостью, второй резервуар, заполненный газом, жесткую емкость, первую .и вторую поворот ные платформы первое и второе гидУ

40 росопротивления, четыре трубки из эластично-упругого материала, четыре трубки из эластичного материала, первую и вторую мягкие емкости, расходомеры, манометры, дроссели, компрес45 соры, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и достоверности воспроизведения одновременно задаваемого комплекса имитируемых сигналов, включающих фоно50 кардиограмму, ультразвуковую допплер.кардиограмму, ультразвуковую допплерваэограмму и пульсограммы сосудов, в него дополнительно введены установленный на роторе пульсирующего насоса подвижный замыкающий контакт, ус- 55 тановленная на статоре пульсирующего насоса группа из пяти неподвижных, разнесенных в пространстве, разомк9 (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 соединенные 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, второго генератора треугольных импульсов и генератора трапецеидальных сигналов, причем первый, второй и третий входы блока управления подключены соответственно к выходам преобразователей скорости сокращения насоса, расхода жидкости и давления жидкости, первый выход блока. Управления через первый генератор синусоидальных сигналов подсоединен к второму входу третьего модулятора, второй выход блока уп1271493

ll ранления через второй генератор синусоидалъных сигналов — к второму входу второго модулятора, третий выход блока управления через генератор шума — к второму входу четвертого модулятора, а четвертый выход блока управления через третий генератор синусоидальных сигналов — к второму входу первого модулятора, I 211493

8-Г д-и

0 ч

Составитель А. Сазонов

Редактор И. Горная Техред A.Êðàâ÷óê КорректорМ, Демчик

Заказ 6270/6 Тираж 660 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород ул. Проектная, 4