Генератор кардиоимпульсов
CARDIOPULSE GENERATOR

I. Область техники, к которой относится изобретение
Устройство относится к области медицинского приборостроения. Предназначено для генерирования периодической последовательности импульсов напряжения, имитирующих импульсы сердца.
II. Уровень техники
II.1 Сравнение с предшествующими уровнями техники
Рассматривается устройство, генерирующее периодическую последовательности импульсов напряжения с заданной (регулируемой) частотой следования периодов, управляемой амплитудой импульсов, управляемым расположением импульсов на протяжении одного периода. Прототип устройства описан в работе [1]. Генератор содержит блок питания, блок емкостей, блок коммутации, блок диодов, блок управления, управление частотой следования кардиоимпульсов осуществляется при помощи блока управления, путем изменения частоты генератора тактовых импульсов, счетчика числа этих импульсов, задания числа импульсов на периоде, управление взаимным расположением импульсов, образующих кардиоимпульс, осуществляется при помощи блока управления, блока диодов и блока коммутации, управление амплитудами импульсов осуществляется при помощи блока питания.
II.2 Цель изобретения
Целью изобретения является разработка устройства на основе импульсной техники с управляемыми параметрами импульсов напряжения, позволяющего имитировать последовательность кардиоимпульсов (кардиограмму). Устройство может найти применение в экспериментальной медицине.
III. Раскрытие сущности изобретения
III.1 Аппроксимация кардиограммы последовательностью импульсных функций
На рисунке фиг. 1 показан один импульс кардиограммы (кардиоимпульс) и аппроксимация одного импульса кардиограммы последовательностью прямоугольных импульсов нвапряжения. На рисунке фиг. 1а показан одиночный кардиоимпульс (рисунок принят из [2]), на рисунке 1б показана аппроксимация кардиоимпульса последовательностью импульсных функций.
На рисунке фиг. 2б показана кардиограмма - последовательность кардиоимпульсов (источник [2]), на рис. 2а показана аппроксимация последовательности кардиоимпульсов периодической последовательностью импульсных функций. На рисунке показан период Т аппроксимирующей функции, в качестве независимой переменной указано время t.
Параметры аппроксимации, численные значения амплитуд импульсов
На рисунке фиг. 3 показана аппроксимация кардоимпульса, представленного на рисунке фиг. 1, последовательностью импульсных функций. Рассмотрение проводится на интервале одного периода Т. Период аппроксимирующей функции Т разбивается на n равных временных интервалов длительностью TI=t/n. На рисунке фиг. 3 показана аппроксимация для числа n=24. Амплитуда наибольшего по величине импульса принимается равной 1, величины амплитуд остальных импульсов принимаются по отношению к величине этого импульса в соответствии с рисунком фиг. 1. В таблице 1 записаны амплитуды импульсов и их численные значения для n=24.
На последующих рисунках фиг. 4…фиг. 9 и в описании изобретения иллюстрируется работа устройства для случая разбиения периода T на n=24 временных интервала длительностью TI и при использовании для аппроксимации шести импульсов на периоде Т.
III.2. Структурная схема устройства
Структурная схема устройства показана на рисунке фиг. 4. На рисунке фиг. 4 показаны следующие блоки:
1
n
1
2
n
1
1. Блок управления 14. Блок генерирует последовательность прямоугольных импульсов, повторяющуюся с заданным периодом Т. Они управляют открытием электронных ключей, расположенных в блоке коммутации. Каждый ключ открывается на интервал времени, равный длительности прямоугольных управляющих импульсов TI. Каждый прямоугольный импульс поочередно поступает к выходным полюсам блока 8…8. Первый импульс поступает к полюсу 8, второй к полюсу 8 и т.д. Импульс с номером n поступает к полюсу 8. После этого импульса поступает управляющий импульс к полюсу 8 и т.д.;
6-8
2. Блок диодов 15. Содержит группы слаботочных диодов. В каждой группе объединяются выводы диодов и подключаются к управляющим электродам силовых ключей. На входы диодов поступают управляющие импульсы от блока управления 14. В каждой группе объединяются выводы диодов, которые обеспечивают подачу на выход устройства импульсов от блока питания с одинаковыми амплитудами. Так, к выходу блока диодов 9 подключаются выходы диодов, на входы которых поступают управляющие импульсы с номерами 6, 7, 8. В соответствии с рисунком фиг. 3 они обеспечивают подключение к выходу устройства одинаковых импульсов напряжения с амплитудой Е3.
1
0
3. Блок коммутации 16. Предназначен для подключения к выходным клеммам блока коммутации 12 и 12 в соответствующие интервалы времени источников напряжения, генерируемых блоком питания.
4. Блок накопительных конденсаторов 17. Емкости блока заряжаются от блока питания, и при помощи блока коммутации поочередно подключаются к выходу устройства.
5. Блок питания 18. Генерирует постоянные напряжения заданной величины и полярности. Напряжения источников подключаются ключами, расположенными в блоке коммутации к выходным клеммам блока коммутации. Они являются выходными для устройства.
1
n
1
2
6-8
9
18-19
24
1
k
1
2
3
4
5
6
1
k
1
m
На рисунке фиг. 4 показана структурная схема устройства с указанием внешних полюсов блоков, при помощи которых осуществляется связь блоков и управление устройством, а также показана нумерация блоков в соответствии с общей принципиальной схемой. Показаны полюсы, при помощи которых осуществляется взаимодействие блоков, и полюсы 6 и 13, при помощи которых осуществляется управление устройством. Указаны номера полюсов в соответствии с общей принципиальной схемой устройства. Сигнал для запуска устройства вводится при помощи полюса 6. Ввод числа временных интервалов n, на которое разбивается период аппроксимирующей функции Т, осуществляется с использованием полюса 13. При помощи полюсов 8…8 соединяются блок управления 14 и блок диодов 15, полюсами 9, 9, 9, 9, 9, 9 блок диодов соединяется с блоком коммутации 16. При помощи полюсов 11…11, где k - количество значений амплитуд импульсных функций, отличных от нуля, блок коммутации 16 соединяется с блоком накопительных емкостей 17. На рисунке фиг. 3 показано 6 отличных от нуля амплитуд - это E, Е, Е, Е, Е, Е. Блок накопительных конденсаторов 17 подключается к блоку питания 18, при помощи полюсов 10…10, к=1…6. Полюсы 12…12 являются выходными, к ним подключается нагрузка.
III.3 Блок управления
Блок управления 14 предназначен для формирования управляющих импульсов. Блоком генерируются последовательности прямоугольных импульсов заданной длительности TI. Эти импульсы управляют открытием силовых ключей 19, на управляющие электроды которых поступают управляюшщие импульсы. Ключи 19 расположены в блоке коммутации 16. Блок формирует циклическую с периодом T последовательность импульсов. Величина T равна периоду следования кардиоимпульсов. Число временных интервалов импульсов на периоде Т равно n, длительность одного импульса TI. Значения n и TI выбираются исходя из соображений обеспечения требуемой погрешности аппроксимации кардиоимпульса последовательностью прямоугольных импульсных функций и стоимостью реализации устройства. С увеличением n и уменьшением TI снижается погрешность и увеличивается стоимость.
На рисунке фиг. 5 показаны значения управляющих импульсов для двух моментов времени - четвертый и пятый по счету импульсы в пределах одного периода Т.
r
На рис. 5а показан четвертый по счету импульс. На интервале времени 3TI≤t≤4TI значение управляющего импульса равно 1, а для остальных интервалов времени значение управляющего импульса равно 0. На рис. 5б показан следующий за четвертым пятый импульс, действующий на интервале времени 4TI≤t≤5TI. На этом интервале времени значение управляющего импульса равно 1, а для остальных интервалов времени, в пределах периода Т, равно 0. В этих выражениях TI - значение временного интервала на котором действует импульс. Справедливо соотношение Т=nTI, где n - количество временных интервалов на одном периоде Т. При помощи электронных ключей 19, (в соответствии с рисунком фиг 3 r=1…6), расположенных в блоке коммутации 16, источники ЭДС, генерируемые блоком питания 18 посредством блока накопительных конденсаторов 17 Подключаются в заданные блоком управления 14 моменты времени в соответствии с заданным алгоритмом к выходным полюсам блока коммутации 16. Коммутация осуществляется в открытом состоянии ключа. Длительность открытого состояния каждого ключа равна TI.
Принципиальная схема блока управления представлена на рисунке фиг. 6.
Блок реализован на элементах 1-7. Он содержит генератор тактовых импульсов (ГТИ) 1, логический элемент И 2, счетчик 3 числа импульсов на периоде Т периодической функции, схему сравнения 4, регистр 5, дешифратор 7 с числом выводов, равном n - числу импульсных функций на периоде Т. Запуск работы устройства осуществляется подачей сигнала по входу 6 элемента И. По входу 13 осуществляется запись кода числа временных интервалов n. Число импульсов, генерируемых ГТИ, сравнивается схемой сравнения с записанным в регистр числом n. При совпадении кодов чисел на входах схемы сравнения, счетчик обнуляется и процесс повторяется. Этим обеспечивается периодичность процесса генерирования управляющих импульсов. Каждый импульс, генерируемый ГТИ, генерирует появление соответствующего ему управляющего импульса на выходе дешифратора.
1
n
Выход ГТИ 1 подсоединен к первому входу элемента И 2, второй вход которого подсоединен к первому входу 6 устройства, а выход - к первому входу счетчика 3, выход которого подсоединен к входу дешифратора 7 и к первому входу схемы сравнения 4, второй вход которой подсоединен к выходу регистра 5, а выход - к второму входу счетчика 3, вход регистра 5 подсоединен к входу 13 устройства, выходы дешифратора 7 подсоединены к входам 8…8, при помощи которых блок управления соединяется с блоком диодов.
III.4 Блок диодов
6, 7, 8
18, 19
1
n
1
n
3
4
5
10
17
20
23
1
2
9
24
6
8
18
19
1
2
6, 7, 8
9
18, 19
24
1
n
6
7
8
3
3
1
18
19
5
5
1
1
2
9
24
1
2
9
24
Схема блока диодов показана на рисунке фиг. 7. Блок содержит входные и выходные полюсы и диоды D1…D5. Выходные полюсы диодов D1, D2, D3 объединены и подключаются к полюсу 9, выходные полюсы диодов D4, D5 подключены к полюсу 9. Входными для блока являются полюсы 8…8. На выход блока диодов передаются сигналы не со всех полюсов 8…8. На рисунке фиг. 3 показано, что для временных интервалов с номерами 3…5, 10…17, 20…23 импульсы аппроксимирующей функции отсутствуют. Поэтому с полюсов 8, 8, 8, 8…8, 8…8 сигналы не передаются. С полюсов 8, 8, 8, 8 сигналы передаются непосредственно с входа блока 15 на его выход. С полюсов 8…8 и полюсов 8…8 передача сигналов с входа блока на его выход осуществляется с использованием диодов, как показано на рисунке фиг. 7. На рисунке фиг. 7 показаны коммутации диодов D1…D5 блока 15 для случая n=24. Выходными для блока являются полюсы 9, 9, 9, 9, 9, 9. На входные полюсы блока 8…8 поступают управляющие импульсы с одноименных полюсов блока управления. Это показано на рисунках фиг. 5а, б. Импульсы поступают периодически с периодом T, что обеспечивается работой блока управления 14. При помощи диодов D1, D2, D3 управляющие сигналы с полюсов 8, 8, 8 поступают на управляющий электрод ключа 19, при помощи которого напряжение источника ЭДС Е передается на выходной полюс устройства 12.. При помощи диодов D4, D5 управляющие сигналы с полюсов 8, 8 поступают на управляющий электрод ключа 19, при помощи которого напряжение источника ЭДС Е передается на выходной полюс устройства 12. Сигналы с полюсов 8, 8, 8, 8 передаются непосредственно на выходные полюсы 9, 9, 9, 9.
III.5 Блок коммутации
1
6
1
6
0
1
1
6
1
2
6-8
9
18-19
24
Схема блока коммутации показана на рисунке фиг. 8. На рисунке показаны управляемые силовые ключи 19…19, которые в открытом состоянии ключа подключают источники E1…Е6 посредством полюсов 11…11 блока емкостей 17 к выходным полюсам устройства 12 и 12. Управление открытым состоянием силовых ключей 19…19 осуществляется путем подачи управляющих сигналов, поступающих с полюсов 9, 9, 9, 9, 9, 9, которые являются выходными полюсами блока диодов 15.
Каждый управляющий сигнал открывает силовой ключ на время действия импульса TI=Т/n, где Т - период кардиоимпульса, n - количество временных интервалов, на которое разбивается период Т. На рисунке 3 период разбивается на n=24 временных интервала. Этому числу временных интервалов соответствуют коммутации, показанные на рисунке фиг. 8. Величины T и TI показаны на рисунке фиг. 3.
III.6 Блок питания и блок емкостей
1
2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
6
11
16
1
6
1
6
0
21
26
1
6
1
6
0
1
6
0
1
6
На рисунке фиг. 9 показан блок питания 18 и блок емкостей 17. Схемы этих блоков показаны для варианта, когда число временных интервалов на периоде Т равно n=24. Блок питания подключается к сети переменного напряжения 220 В полюсами 20 и 20. Напряжение сети при помощи трансформатора 23 трансформируется до требуемого для работы устройства значения. Напряжения с вторичных катушек трансформатора снимается с полюсов 21-21, 21-21, 21-21, 21-21, 21-22, 22-22 и поступает на входы выпрямительных схем 22…22. На выходах выпрямительных схем включены емкости С…С, предназначенные для сглаживания пульсаций выпрямленных напряжений. После выпрямления и сглаживания напряжения Е…Е поступают на разъемы 10…10 и 10. Эти разъемы являются выходными для блока питания 18 и входными для блока накопительных емкостей 17. Емкости блока 17 С…С заряжаются напряжениями Е…Е, поступающими от блока питания 18. После зарядки этих емкостей блок питания 18 может быть отключен разъемами 10…10 и 10 от блока 17. Подвижные разъемы 10…10 и 10 позволяют устройству работать автономно без подключения к сети электропитания. Требуемые для работы устройства напряжения Е…Е в этом случае поступают от блока накопительных емкостей 17.
IV. Краткое описание чертежей
Фиг. 1 График кардиоимпульса и аппроксимирующей функции
Фиг. 2 Кардиограмма и ее аппроксимация последовательностью импульсных функций
Фиг. 3 Аппроксимация кардиоимпульса последовательностью импульсных функций
Фиг. 4 Структурная схема устройства
Фиг. 5 Управляющие импульсы на выходе блока управления
5а - График четвертого импульса
5б - График пятого импульса
Фиг. 6 Принципиальная схема блока управления
Фиг. 7 Схема блока диодов
Фиг. 8 Схема блока коммутации
Фиг. 9 Схема блока питания и блока накопительных емкостей
V. Осуществление изобретения
i
i
1
6
1
6
0
i
1
6
1
0
1
0
1
6
1
0
1
2
3
4
5
6
1
6
1
0
1
n
j
j+1
n
1
Описание работы устройства. В исходном состоянии на регистре 5 блока управления 14 по входу 13 записан код числа временных интервалов n. На это число интервалов разбивается период кардиоимпульса Т при аппроксимации его последовательностью импульсных функций. На счетчике 3 хранится код нуля (вход сброса в ноль на счетчике 3 на фиг. 6 не показан). Работа устройства начинается после подачи пускового сигнала по входу 6 логического элемента И 2. После подачи пускового сигнала импульсы с выхода генератора тактовых импульсов 1 через открытый элемент И 2 начинают поступать на вход счетчика 3. Код с выхода счетчика 3 поступает на вход дешифратора 7. На выходе дешифратора появляется единичный сигнал только на одном из n его выходов. Единичный сигнал на i-ом (i=1…n) выходе 8 дешифратора 7 подается на вход блока диодов 15 посредством одного из полюсов 8. С выходных полюсов блока диодов сигналы поступают на управляющие электроды силовых ключей 19…19, которые расположены в блоке коммутации 16. Входы управляемых ключей 19…19 подключаются полюсами 11 и 11, i=1…6, к источникам напряжения Е…Е, а выходы ключей подсоединены к выходным полюсам блока коммутации 12 и 12. В каждый временной интервал с номерами 1, 2, 6…8, 9, 18, 19, 24 к каждому выходному полюсу блока коммутации 12 и 12 подключается только один источник постоянного напряжения из набора Е…Е. Согласно табл. 1 и рисунку фиг. 3 в первый интервал времени к полюсам 12 и 12 подключается источник ЭДС E, во второй временной интервал источник Е, в 6, 7, 8 интервалы источник Е, в девятый временной интервал подключается источник Е, в 18 и 19 временные интервалы источник Е, в 24 временной интервал источник Е. Для других временных интервалов коммутации не осуществляются. Это показано на рисунке фиг. 8. Подключение источников питания Е…Е к выходным полюсам блока коммутации 12 и 12 осуществляется при помощи управляемых электронных ключей. Сигналы, управляющие открытым состоянием ключа, поступают с выхода дешифратора блока управления посредством полюсов 8…8. Блоком управления задается очередность следования управляющих импульсов. За управляющим импульсом от формирователя импульсов 8, j=1…n следует управляющий импульс от формирователя импульсов 8, пока j+1 не станет равным n. После прекращения действия импульса с выхода 8 включается импульс 8. При этом текущее значение счетчика числа импульсов 3 совпадет с заданным при помощи входа 13 числом n, счетчик обнуляется и процесс повторяется.
VI. Литература
1. Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС Патент №2016127384, МПК Н05В 1/00, 2017
2. http://oserdce.com/diagnostika/ekg/rasshifrovka.html