Стабилограф

 

Использование: изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для оценки психофизиологического состояния человека путем анализа изменений положения проекции центра тяжести на опорную плоскость. Сущность: стабилограф содержит: платформу 1, установленную на нескольких опорах 2.1-2. n; тензометрические преобразователи 3.1-3.n, закрепленные на этих опорах; широкополосные усилители 4.1-4.n, подключенные к тензометрическим преобразователям; резистивный аналоговый сумматор 5, через усилитель 6 и инвертирующий повторитель 7, соединенный с шинами питания тензометрических преобразователей; блок 8 вычисления координат центра тяжести, вход которого соединен с выходами широкополосных усилителей 4.1-4.n; подключенные к выходу резистивного аналогового сумматора 5, блок 9 выделения сигналов сердечных сокращений и блок 10 выделения сигналов дыхания; мультиплексор 11, подключенный к выходам блоков 8, 9 и 10 и последовательно соединенный программируемый усилитель 12, аналого-цифровой преобразователь 13 и блок 14 управления, отображения и обработки информации. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для оценки психофизиологического состояния человека путем анализа изменений положения центра тяжести на опорную плоскость.

Известно устройство для измерения опорных реакций, защищенное авт.св. СССР 1629032, кл. A 61 B 5/103, 1990. Устройство содержит опорную раму, опорную плиту, винты фиксации и регулировки, генератор сигналов возбуждения, однокомпонентные пьезодатчики, блок управления, включающий тактовый генератор, электронные ключи, триггер, одновибраторы и коммутатор, аналоговое запоминающее устройство, аналого-цифровой преобразователь, блок памяти, цифропечатающее устройство, вычислитель, графопостроитель и ключ разрешения измерения. Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения перемещения центра тяжести испытуемого вследствие зависимости погрешности измерения от веса. Кроме того из-за использования пьезодатчиков, воспринимающих только динамическое воздействие, невозможно измерение координат в статике.

Известно устройство платформенного типа для многокомпонентного измерения сил и моментов, содержащее квадратную силовоспринимающую плиту, связанную с основанием через четыре одинаковых упругих элемента. На каждом упругом элементе размещены шесть тензодатчиков, три из которых расположены на первом стержне упругого элемента. Стержни образуют угол 45^o с координатными осями. Каждый тензодатчик включен в измерительную схему, выход которой через коммутатор и аналого-цифровой преобразователь подключен к процессору (см. авт. св. СССР 1783329, кл. G 01 L 5/16, 1992). Это устройство имеет более высокую точность измерения сил и моментов, позволяет измерять их в статике. Недостаток низкие функциональные возможности из-за отсутствия канала измерения перемещения центра тяжести.

Устройство по авт.св. СССР N 1783329, кл. G 01 L 5/16 принято в качестве прототипа, общими признаками которого с заявляемым устройством, являются: а) элементы конструкции: платформа, установленная на нескольких опорах; тензометрические преобразователи, закрепленные на опорах; широкополосные усилители; аналого-цифровой преобразователь; блок управления, отображения и обработки информации, включающий персональную ЭВМ и однокристальную микро-ЭВМ; б) связи между элементами конструкции: соединение входов широкополосных усилителей с выходами соответствующих тензометрических преобразователей; последовательное соединение аналого-цифрового преобразователя и блока управления, отображения и обработки информации.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей за счет изменения положения центра тяжести и обеспечения возможности анализа сигналов сердечных сокращений и дыхания.

Указанная цель достигается тем, что стабилограф, содержащий платформу, установленную на нескольких опорах, на каждой из которых закреплен тензометрический преобразователь реакции опоры на нагрузку, широкополосные усилители, вход каждого усилителя подключен к соответствующему тензометрическому преобразователю, и последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь и блок управления, отображения и обработки информации, дополнительно содержит аналоговый сумматор, каждый вход которого соединен с выходом соответствующего широкополосного усилителя, блок вычисления координат центра тяжести, входы которого подключены к выходам широкополосных усилителей, блок выделения сигналов сердечных сокращений и блок выделения сигналов дыхания, входы которых подключены к выходу аналогового сумматора, мультиплексор, аналоговые входы которого подключены к выходам блока вычисления координат центра тяжести, блока выделения сигналов дыхания, программируемый усилитель, вход которого подключен к выходу мультиплексора, а выход к входу аналого-цифрового преобразователя, последовательно соединенные усилитель и инвертирующий повторитель, вход усилителя соединен с выходом аналогового сумматора, а выходы усилителя и инвертирующего повторителя соединены с шинами питания тензометрических преобразователей, при этом выходы блока управления, отображения и обработки соединены с входами управления блока вычисления координат центра тяжести мультиплексора, программируемого усилителя и аналого-цифрового преобразователя.

Блок вычисления координат центра тяжести содержит для каждой координаты последовательно соединенные цифро-аналоговый преобразователь и решающий усилитель, неинвертирующие входы решающего усилителя по координате X подключены к входам блока, соответствующим опорам с положительными координатами по оси X, инвертирующие к входам блока, соответствующим опорам с отрицательными координатами по оси X, неинвертирующие входы решающего усилителя по координате Y подключены к входам блока, соответствующим опорам с положительными координатами по оси Y, инвертирующие к входам блока, соответствующим опорам с отрицательными координатами по оси Y, входы цифро-аналоговых преобразователей являются управляющими входами блока, выходы решающих усилителей являются выходами блока.

Устройство ввода-вывода блока управления, отображения и обработки информации содержит шесть регистров хранения и два дешифратора и связано с однокристальной микро-ЭВМ шиной данных и адреса и шиной управления, при этом кодовые входы пяти регистров соединены с шиной данных и адреса, кодовые входы дешифраторов соединены с выходом первого регистра хранения, вход записи которого подключен к цепи записи адреса (ALE) шины управления, вход строба первого дешифратора подключен к цепи записи данных (WR) шины управления, а выходы к соответствующим входам записи второго, третьего, четвертого и пятого регистров хранения, вход строба второго дешифратора подключен к цепи считывания (RD) шины управления, первый выход второго дешифратора является выходом блока управления, отображения и обработки информации, подключенным к входу "Преобразование" аналого-цифрового преобразователя, второй выход второго дешифратора соединен с входом считывания шестого регистра хранения, кодовый вход которого является входом блока управления, отображения и обработки информации, соединенным с кодовым выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход подключен к шине данных и адреса, кодовый выход второго регистра хранения является выходом блока управления, отображения и обработки информации, соединенным с входом управления каналами мультиплексора, кодовый выход третьего регистра хранения выходом, соединенным с входом управления коэффициентом усиления программируемого усилителя, кодовые выходы четвертого и пятого регистров хранения выходом, соединенным с входом управления блока вычисления координат центра тяжести.

Блок выделения сигналов сердечных сокращений содержит последовательно соединенные фильтр нижних частот с частотой среза 2,8-3,0 Гц, усилитель и фильтр верхних частот с частотой среза 0,5-0,6 Гц.

Блок выделения сигнала дыхания содержит последовательно соединенные фильтр нижних частот с частотой среза 0,5-0,7 Гц, усилитель и фильтр верхних частот с частотой среза 0,08-0,1 Гц.

Авторам неизвестен источник информации, в котором был бы описан стабилограф, содержащий блоки выделения сигналов сердечных сокращений и сигналов дыхания, а также сведения о том, что из суммы напряжений, пропорциональных реакциям опор на нагрузки, можно выделить сигналы сердечных сокращений и сигналы дыхания, поэтому авторы считают, что заявленное ими техническое решение соответствует критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображена блочная схема стабилографа; на фиг. 2 - электрическая схема тензометрических преобразователей, широкополосных усилителей, аналогового сумматора, усилителя и инвертирующего повторителя; на фиг. 3 блочная схема блока вычисления координат центра тяжести; на фиг. 4 - функциональные схемы блока вычисления координат центра тяжести при трехопорной а) и четырехопорной б) платформе; на фиг. 5 функциональная схема блока выделения сигналов сердечных сокращений; на фиг. 6 пример реализации программируемого усилителя с использованием цифро-аналогового преобразователя; на фиг. 7 функциональная схема устройства ввода-вывода.

На фигурах 1-7 цифрами обозначены: 1 платформа; 2.1-2.n опоры; 3.1-3.n тензометрические преобразователи; 4.1-4.n широкополосные усилители; 5 аналоговый сумматор; 6 усилитель; 7 инвертирующий повторитель; 8 блок вычисления координат центра тяжести; 9 блок выделения сигналов сердечных сокращений; 10 блок выделения сигналов дыхания; 11 - мультиплексор; 12 программируемый усилитель; 13 аналого-цифровой преобразователь; 14 блок управления, отображения и обработки информации; 15 персональная ЭВМ; 16 интерфейс; 17 однокристальная микро-ЭВМ; 18 устройство ввода-вывода; 19 повторитель; 20, 21 цифро-аналоговые преобразователи; 22, 23 решающие усилители; 24 фильтр нижних частот; 25 усилитель; 26 фильтр верхних частот; 27 цифро-аналоговый преобразователь; 28 усилитель; 29-34 регистры хранения; 35, 36 дешифраторы.

Заявленный стабилограф (фиг. 1) содержит платформу 1, установленную на опоры 2.1-2. n, тензометрические преобразователи 3.1-3.n, закрепленные на опорах 2.1-2. n, широкополосные усилители 4.1-4.n, подключенные к выходам тензометрических преобразователей. Питание этих преобразователей осуществляется напряжением, обратно пропорциональным сумме выходных напряжений усилителей 4.1-4. n. Для этого выходы усилителей 4.1-4.n соединены с выходами аналогового сумматора 5, а выход сумматора 5 через усилитель 6 соединен с первой шиной питания тензометрических преобразователей 3.1-3.n и через инвертирующий повторитель 7 со второй. Блок 8 вычисления координат центра тяжести подключен к выходам усилителей 4.1-4.n и предназначен для формирования из напряжений, пропорциональных реакциям опор 2.1-2.n на нагрузку в напряжения, пропорциональные координатам X и Y центра тяжести. К выходу сумматора 5 подключены блок 9 выделения сигналов сердечных сокращений и блок 10 выделения сигналов дыхания. Мультиплексор 11 предназначен для поочередного подключения выходов блоков 8, 9 и 10 к входу программируемого усилителя 12, напряжение на выходе которого с помощью аналого-цифрового преобразователя 13 преобразуется в двоичный код. Блок управления, отображения и обработки информации содержит последовательно соединенные персональные ЭВМ (ПЭВМ) 15, интерфейс 16, однокристальную микро-ЭВМ (ОМЭВМ) 17 и устройство 18 вводы-вывода. ПЭВМ 15 предназначена для обработки и анализа информации, интерфейс 16 обеспечивает передачу информации от ОМЭВМ 17 к ПЭВМ 15, ОМЭВМ 17 предназначена для организации съема информации, устройство 18 предназначено для преобразования команд ОМЭВМ 17 в управляющие сигналы.

Блок 8 (фиг. 3 и 4) содержит цифро-аналоговые преобразователи 20, 21 и решающие усилители 22, 23. При трехопорной платформе 1 с неинвертирующими (суммирующими) входами усилителя 22 соединены выходы ЦАП 20 и широкополосного усилителя 4.2 (U_R2), к инвертирующему (вычитающему) входу усилителя 22 подключен выход широкополосного усилителя 4.1 (U_R1). Входы усилителя 23 подключены: неинвертирующий к выходу ЦАП 21, инвертирующий к выходу широкополосного усилителя 4.3 (U_R3). При четырехопорной платформе 1 входы усилителя 22 подключены: неинвертирующие к выходам ЦАП 20 и широкополосных усилителей 4.2 и 4.3 (U_R2 и U_R3), инвертирующие - к выходам широкополосных усилителей 4.1 и 4.4 (U_R1 и U_R4), входы усилителя 23: неинвертирующие к выходам ЦАП 21 и усилителей 4.1 и 4.2, инвертирующие к выходам усилителей 4.3 и 4.4. Блок 9 выделения сигналов сердечных сокращений (фиг. 5) содержит последовательно соединенные фильтр 24 нижних частот, широкополосный усилитель 25 и фильтр 26 верхних частот. Блок 10 выделения сигналов дыхания имеет аналогичную блочную схему. Разница состоит в частотах среза фильтров нижних и верхних частот. Для блока 9 частота среза нижних частот лежит в пределах 2,8-3,0 Гц, верхних 0,5-0,6 Гц, для блока 10 0,5-0,7 Гц и 0,08-0,1 Гц соответственно. Программирумый усилитель 12 предназначен для нормирования сигналов на входе аналого-цифрового преобразователя 13 и имеет управление по коэффициенту усиления. Пример реализации такого усилителя показан на фиг. 6. Цифро-аналоговый преобразователь 27 микросхема К572ПА1 включен в цепь обратной связи операционного усилителя 28 микросхема 14ОУД1.

Устройство 18 ввода-вывода (фиг. 7) содержит шесть регистров хранения и два дешифратора и предназначено для преобразования команд управления от ОМЭВМ 17 в управляющие сигналы. Регистр 29 и дешифраторы 35, 36 предназначены для записи адреса блока, на который подается команда, регистры 30, 31, 32, 33 для записи кода этой команды. Регистр 34 соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя 13 и предназначен для считывания кодов координат центра тяжести и уровней сигналов сердечных сокращений и дыхания в ОМЭВМ 17. Устройство 18 с ОМЭВМ 17 связано шиной данных и адреса и шиной управления. Шина данных адреса (ШАД) соединена с входами регистров 29, 30, 31, 32, 33 и выходом регистра 34. Цепи шины управления соединены: записи адреса ALE с входом записи регистра 29, записи данных WR с входом стробирования дешифратора 36, считывания данных RD с входом стробирования дешифратора 35. Выходы дешифратора 35 соединены: один с входом "Преобразование" аналого-цифрового преобразователя 13, другой с входом считывания регистра 34. Выходы дешифратора 36 соединены с входами записи регистров 30, 31, 32, 33.

Заявленный стабилограф работает следующим образом. Испытуемого (пациента) помещают на платформу 1. Под действием его веса в опорах 2.1- 2.n возникают усилия сжатия (или растяжения) и на выходах тензометрических преобразователей возникают напряжения, пропорциональные реакциям опор на нагрузку. Для пояснения дальнейшей работы стабилографа рассмотрим, чему равны напряжения на выходах широкополосных усилителей 4.1-4.n на примере трехопорной платформы. Пусть опоры размещены в вершинах равностороннего треугольника со стороной a и оси координат X, Y проходят через геометрический центр треугольника, как показано на фиг. 5а.

Из условия равенства моментов сил вокруг осей OX и OY и равенства сил имеем

Решая эти уравнения, определим зависимость реакций опор на нагрузку от веса испытуемого и координат центра тяжести.

Напряжение на выходе широкополосного усилителя равно
U_Rn K · S · R_nx · E_пит
где
K коэффициент усиления усилителя;
S крутизна тензометрического преобразователя;
E_пит напряжение питания тензометрических преобразователей.

где
β коэффициент передачи аналогового сумматора 5 и усилителя 6;
E₀ напряжение источника питания.

Подставляя (8) в (7) имеем т.е. напряжение на выходе широкополосного усилителя прямо пропорционально реакции опоры на нагрузку и обратно пропорционально нагрузке.

Подставляя (4-6) в (9), получим

т. е. напряжения на выходах широкополосных усилителей зависят только от координат центра тяжести, поэтому их использование позволяет без затруднений измерить координаты центра тяжести.

Таким образом, напряжения на выходе блока 8 U_x и U_y зависят только от координат центра тяжести и содержат составляющие, позволяющие изменять начало координат. В уравнениях (13), (14) M_x, M_y - коэффициенты усиления усилителей 22, 23 соответственно.

Напряжение на выходе аналогового сумматора 5 пропорционально сумме реакций опор на нагрузку, т.е. весу испытуемого.

Экспериментально установлено, что измеряемая сумма реакций опор на нагрузку практически не зависит от координат центра тяжести, а изменяется синхронно с частотой сердечных сокращений и частотой дыхания, поэтому по изменению этого напряжения можно судить о психоэмоциональном состоянии человека, его реакции на тестовые задания.

Сигналы с блоков 8, 9, 10 поочередно, с заданной тактовой частотой, считываются в ОМЭВМ 17 и передаются в ПЭВМ 15.

В ПЭВМ 15 производится обработка и анализ информации и отображение на экране дисплея результатов измерений и анализа.

Итак, испытуемый устанавливается на платформу 1 в рекомендуемой позе (стойке). На экране ПЭВМ 15 отображается положение центра тяжести, например, светящейся точкой на координатной сетке. Испытуемый получает задание путем изменения положения тела, либо удерживать светящуюся точку в центре координат при тестовом изменении U_xo, U_yo, либо перемещать ее в соответствии с заданием. По скорости выполнения задания, флюктуациям координат центра тяжести можно судить о психофизиологическом состоянии человека. Анализ изменений частоты сердечных сокращений и частоты дыхания при выполнении задания позволяет судить дополнительно об эмоциональном состоянии человека, что существенно расширяет функциональные возможности стабилографа. Заявленный стабилограф может использоваться для профессионального отбора, в качестве детектора лжи, для мониторинга тяжело больных, детей.

Формула изобретения

1. Стабилограф, содержащий платформу, установленную на нескольких опорах, на каждой из которых закреплен тензометрический преобразователь реакции опоры на нагрузку, широкополосные усилители, вход каждого из которых подключен к соответствующему тензометрическому преобразователю, аналого-цифровой преобразователь и подключенный к его выходу блок управления, отображения и обработки информации, отличающийся тем, что он дополнительно содержит аналоговый сумматор, каждый вход которого соединен с выходом соответствующего широкополосного усилителя, блок вычисления координат центра тяжести, входы которого соединены с выходами широкополосных усилителей, подключенные к выходу аналогового сумматора, блок выделения сигнала сердечных сокращений и блок выделения сигналов дыхания, мультиплексор, аналоговые входы которого подключены к выходам блоков вычисления координат центра тяжести, выделения сигналов сердечных сокращений и выделения сигналов дыхания, программируемый усилитель, вход которого соединен с выходом мультиплексора, а выход с входом аналого-цифрового преобразователя, при этом выход аналогового сумматора через усилитель и инвертор соединен с шинами питания тензометрических преобразователей, а выходы блока управления, отображения и обработки информации соединены с входами управления блока вычисления координат центра тяжести, мультиплексора, программируемого усилителя и аналого-цифрового преобразователя, блок управления, отображения и обработки информации содержит последовательно соединенные персональную ЭВМ, интерфейс, однокристальную микроЭВМ и устройство ввода-вывода, входы и выходы которого являются входами и выходами блока управления, отображения и обработки информации.

2. Стабилограф по п. 1, отличающийся тем, что блок вычисления координат центра тяжести содержит для каждой координаты последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь и решающий усилитель, неинвертирующие входы решающего усилителя по координате Х подключены к входам блока, соответствующим опорам с положительными координатами по оси X, инвертирующие к входам блока, соответствующим опорам с отрицательными координатами по оси X, неинвертирующие входы решающего усилителя по координате Y подключены к входам блока, соответствующим опорам с положительными координатами по оси Y, инвертирующие к входам блока, соответствующим опорам с отрицательными координатами по оси Y, входы цифроаналоговых преобразователей являются управляющими входами блока, выходы решающих усилителей являются выходами блока.

3. Стабилограф по п. 1, отличающийся тем, что устройство ввода-вывода блока управления, отображения и обработки информации содержит шесть регистров хранения и два дешифратора и связано с однокристальной микроЭВМ шиной данных и адреса и шиной управления, при этом кодовые входы пяти регистров соединены с шиной данных и адреса, кодовые входы дешифраторов соединены с выходом первого регистра хранения, вход записи которого подключен к цепи записи адреса шины управления, вход строба первого дешифратора подключен к цепи записи данных шины управления, а выходы к соответствующим входам записи второго, третьего, четвертого и пятого регистров хранения, вход строба второго дешифратора подключен к цепи считывания шин управления, первый выход второго дешифратора является выходом блока управления, отображения и обработки информации, подключенным к входу "Преобразование" аналого-цифрового преобразователя, второй выход второго дешифратора соединен с входом "Считывание" шестого регистра хранения, кодовый вход которого является входом блока управления, отображения и обработки информации, соединенным с кодовым выходом аналого-цифрового преобразователя, выход шестого регистра хранения подключен к шине данных и адреса, выходы второго, третьего, четвертого и пятого регистров хранения являются выходами блока управления, отображения и обработки информации.

4. Стабилограф по п. 1, отличающийся тем, что блок выделения сигналов сердечных сокращений содержит последовательно соединенные фильтр нижних частот с частотой среза 2,8 3,0 Гц, усилитель и фильтр верхних частот с частотой среза 0,5 0,6 Гц.

5. Стабилограф по п. 1, отличающийся тем, что блок выделения сигналов дыхания содержит последовательно соединенные фильтр нижних частот с частотой среза 0,5 0,7 Гц, усилитель и фильтр верхних частот с частотой среза 0,08 - 0,1 Гц.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7