Устройство для определения собственных параметров резонирующих тел

 

Изобретение относится к медицинской технике. Цель изобретения - сокращение времени и повьшение точности измерения параметров. Устройст во содержит сканирующий генератор 1, приемник колебаний, усилитель, блок фиксации максимума резонансной кривой (БФМ) 6, первую линию задержки 7, первый коммутатор 8, вычислительный блок 9, блок индикаторов частоты и добротности 10 и возбудитель колебаний 11. БФМ содержит первый формирователь импульсов, первый триггер , первьй и второй элементы, первьш и второй ключи, первый и второй пиковые детекторы, инвертор, второй формирователь импульсов, второй коммутатор , третий ключ, блок сравне- .ния. Применение одного сканирующего генератора при наличии нескольких приемников колебаний позволяет проводить одновременное измерение собственных параметров нескольких мьппц. 2 3.п. ф-лы, 3 ил. (Л ; :о Фаг. г

СООЗ СОБЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (19) (11) (5D 4 А 6 1 В 5 /05

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМЪГ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Фиг. 1

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3926484/28 — 14 (22) 08.07.85 (46) 30.06.87. Бюл. М 24 (71) МВТУ им. Н.Э.Баумана (72) Л.Ф.Ивин, А.С.Шпилевой и Е.В.Галямова (53) 615.475(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 865274, кл. А 61 В 5/05, 1979. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОБCTBEHHbIX 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 резонансной кривой (БФМ) 6, первую линию задержки 7, первый коммутатор 8, вычислительный блок 9, блок индикаторов частоты и добротности 10 и возбудитель колебаний 11. БФМ содержит первый формирователь импульсов, первый триггер, первый и второй элементы, первый и второй ключи, первый и второй пиковые детекторы, инвертор, второй формирователь импульсов, второй коммутатор, третий ключ, блок сравнения. Применение одного сканирующего генератора при наличии нескольких приемников колебаний позволяет проводить одновременное измерение собственных параметров нескольких мьппц.

2 з,п. ф-лы, 3 ил, 9823 2

Известно, что об упруговязких свойствах мьппцы несут информацию такие ее параметры, как собственная частота колебаний мышцы у и добротность Ч (величина, обратно пропорпиональная декременту затухания колебаний), которые могут быть измерены при возбуждении в мышце как в pesoнирующем теле, собственных колебаний.

1О Сканирующий генератор с изменяющейся по линейному закону частотой выходного напряжения через возбудитель колебаний осуществляет возбуждение колебаний резонирующего тела (мьппцы).

S5 Если диапазон сканирования генератора перекрывает диапазон значений частот, в котором могут находиться значения частот собственных колебаний мьпнцы, то в этом случае на выхо20 де приемника колебаний гарантированно возникает сигнал, огибающая которого соответствует резонансному пику амплитудочастотной характеристики (АЧХ) резонатора, по которому мож25 но определить значение собственной частоты колебаний и добротность, При очень малой скорости изменения частоты сканирования можно получить на выходе приемника колебаний стати30 ческую АЧХ резонирующего тела, однако такой режим малоприемлем из-за больного времени, требуемого для прохождения всего частотного диапазона.

Поэтому имеет смысл осуществлять быстрое сканирование той области частотной характеристики резонирующего

I тела, в которой находится резонансный пик. При быстром изменении частотно-модулированного сигнала скани40 рующего генератора на выходе приемника колебаний появляется динамическая АЧХ резонатора, которая может отличаться от статической АЧХ (статическая АЧХ вЂ” это АЧХ, снимаемая при бесконечно. малой скорости скани5 рования). Отличие проявляется в смешении положения максимума АЧХ, появлении асимметричности. Резонансная частота динамической и статической АЧХ резонирующего тела связана следующей зависимостью: у =у (1+ $) 55

Принцип работы устройства для оп- ределения собственных параметров резонирующих тел заключается в следующем.

1 131

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения собственных параметров резонирующих тел, в частности в медицинской технике для диагностики мьипечного аппарата паци" ента.

Целью изобретения является сокращение времени и повьппение точности измерения параметров, На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2— схема сканирующего генератора; на фиг, 3 — функциональная схема блока фиксации максимума резонансной кривой (БФМ); на фиг. 4 — амплитудно-частотная характеристика резонирующего тела при возбуждении его сигналом от сканирующего генератора; на фиг. 5временные диаграммы работы блока БФМ; на фиг. 6 — схема второго коммутатора; на фиг. 7 — функциональная схема вычислительного блока.

Устройство для определения собственных параметров резонирующих тел содержит сканирующий генератор l, состоящий из интегратора 2 и управляемого генератора З,.приемник 4 коI лебаний, усилитель 5, блок 6 фиксации максимума резонансной кривой (БФМ), первую линию 7 задержки, первый коммутатор 8, вычислительный блок

9, осуществляющий вычисление значения частоты колебаний по периоду н добротности резонирующего тела, блок

10 индикаторов частоты и добротности и возбудитель 11 колебаний.

БФМ 6 (фиг, 3) содержит первый формирователь 12 импульсов, первый триггер 13, первый 14 и второй 15 элементы И первый 16 и второй 17 ключи, первый 18 и второй 19 пиковые детекторы, инвертор 20, второй формирователь 21 импульсов, второй коммутатор 22, третий ключ 23, блок 24 сравнения.

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 $=4 - -- — смещение положения г максимума АЧХ pesoнатора при возбужде нии частотно-модули рованным сигналом

3 1319 (динамическое возбуждение);

S — величина, зависящая от скорости изменения частотно-модулированного сигнала Ъ и собственных параметров резонатора.

При изменении направления сканирования возбуждающего сигнала при его t0 постоянной скорости абсолютные значения сдвигов резонансной кривой остаются прежними, а направления сдвигов относительно статического резонанса противоположными: 15 4ин О т(1+8) при 41 02 4ÄÄ2 Я„(1-S) при 1,2а0; /,/ — / Х2/ °

Осредняя результат двух измерений при разных направлениях сканирова- 70 ния, можно получить значение собственной частоты колебаний резонирующего тела

И4ин 1+ 4 нн 2

Ы

4 о ст

Делая простые преобразования, из выражения (1) можно получить следую,щую зависимость:

У, 4 А"" (3) т.е. вычисляя значения и „„ и ц, в текущий момент времени и зная фиксированное значение скорости сканирования (q постоянна), можно вычислить добротность резонирующего тела

Q, БФМ осуществляет фиксацию момента прохождения максимума динамичес"кой АЧХ при возбуждении в мьппце коле- 4О 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 скорости через возбудитель колебаний ll начинает возбуждать резонирующее тело (мьппцу) .

"h общем случае сканирующий гене» ратор 1, на который подается сигнал с первого коммутатора 8, представля823 4 ет собой генератор 3, управляемый линейно изменяющимся напряжением, поступающим, например, с интегратора

2. Принцип управления: если к интегратору 2 подключено положительное напряжение, то напряжение управления с интегратора 2 линейно растет и частота частотно-модулированного сигнала со сканирующего генератора 1 также линейно растет. При отключении источника питания от входа интегратора 2 напряжение управления начинает линейно уменьшаться, направление сканирования изменяется на противоположное. Приемник 4 колебаний воспринимает колебания резонирующего тела, которые через усилитель 5 поступают на вход БФМ 6. В области совпадения изменяемой 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) 75 импульс, поступающий на второй вход вычислительного блока 9 и дающий разрешение на измерение частоты сканирующего генератора 1 по периоду.

Одновременно импульс с БФМ 6 поступает на вход первой линии 7 задержки и через время, задаваемое первой линией 7, первый коммутатор 8 переключает направление сканирования генератора 1.

Схема, поясняющая принцип работы сканирующего генератора 1 и первого . коммутатора 8, показана на фиг, 2.

Первый коммутатор 8 в этом случае выполняет роль ключа, поочередно подключающего к входу интегратора разные уровни напряжения. Время выбирается в зависимости от скорости сканирования Ъ и ширины резонансного пика таким образом, чтобы в об" ласть сканирования попадал только участок АЧХ, непосредственно прилегающий к резонансному пику. Сканиру ющий генератор 1 начинает изменение ,частотно-модулированного сигнала в обратную сторону. В момент достижения максимума резонансной кривой в обратном направлении, БФМ 6 фиксирует момент прохождения максимума и вырабатывает импульс, разрешающий измерение частоты и „„ =и„(1-S) в этот момент. Вычислительный блок 9 проводит измерение частоты и „ в этот н2 момент времени, а также вычисление частоты а, и добротности по форму131 лам (1)-(3). После этого значения ,с), и -Q фиксируются блоком 10 индикаторов.

Принцип работы БФМ 6 заключается в 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 момента прохождения максимума проводится измерение амплитудных значений соседних полуволн колебаний резонирующего тела (фиг. 4).

БФМ 6 (фиг. 3-5) работает следующим образом.

В первоначальный момент времени напряжение на первом и .втором пиковых детекторах 18 и 19 равно нулю.

Напряжение с выхода сканирующего генератора 1 через возбудитель 11 колебаний. начинает возбуждать мышцу, и на выходе усилителя 5 появляется сигнал Xl (фиг, 4), огибающая которого соответствует динамической АЧХ резонатора. Первый формирователь 12 импульсов формирует последовательность однополярных импульсов Х2 из синусоидального сигнала, поступающего с выхода сканирующего генератора !. Первый триггер 13 обеспечивает попеременную подачу разрешающих импульсов на входы первого 14 и второго 15 элементов И. Для рассмотрения работы БФМ 6 используем временные диаграммы (фиг. 5).

Цикл измерений БФМ 6 включает в себя три такта.

Такт 2 ° Сигналом Х5, поступающим с выхода первого элемента И 14, открывается первый ключ 16, и на первом пиковом детекторе 18 запоминается амплитудное значение напряжения первой полуволны U(1)=Use (фиг. 5).

Такт II. Сигналом Х7, поступающим с выхода инвертора 20, открыва- . ется третий ключ 23, и на один из входов йтока 24 сравнения поступает

1 напряжение с первого пикового детектора 18 U, =1!(.1) и с второго пикового детектора 19 0, =0, причем при нахождении второго коммутатора 22 в первоначальном положении напряжение с первого пикового детектора 18 поI ступает на первый вход блока 24 сравнения, а напряжение с второго пикового детектора 19 — на второй

55 дыдущее напряжение больше последующего, т.е. при Us>U где n — номер сравниваемых полуволн (Xl). B рассматриваемом случае импульс останова

Х9 формируется после сравнения полуволн "8" и "9". Импульс останова Х9 используется для обнуления первого

18 и второго 19 пиковых детекторов, переключения направления сканирования генератора 1, а также для опреде.

9823 6 вход блока 24 сравнения. Блоком 24 сравнения может. служить компаратор, который вырабатывает импульсный сигнал, если напряжение на его первом входе становится меньше напряжения на втором входе, т,е.

Usx Пьх2 Usbl„=0;

sxz s>z saic y

fp так как U (. 1) ) О, то сигнала на выходе блока 24 сравнения нет.

Такт III. В конце второго такта второй формирователь 21 (коротких) импульсов формирует сигнал Х8, посту15 пающий на второй коммутатор 22 и коммутирующий выходы первого и второго. пиковых детекторов 18 и 19 с входами блока 24 сравнения так, что в момент последующего открытия тре2р тьего ключа 23 выход первого пикового детектора 18 оказывается соединенным с вторым входом блока 24 сравнения, а выход второго пикового детектора 19 — с первым входом блока

25 24 сравнения.

Импульсом Х6, поступающим с выхо.— да второго элемента И 15, открывается второй ключ 17 и происходит запоминание амплитудного значения вто30 рой полуволны (точка "2" на фиг. 4) на втором пиковом детекторе 19 и сравнение значений напряжений первого и второго пиковых детекторов 18 и 19 в момент открытия третьего ключа 23 импульсом Х7. Поскольку в этом цикле измерений выход второго пикового детектора 19 скоммутирован с первым входом блока 24 сравнения, а выход пикового детектора 19 — с вторым входом блока 24 сравнения и U =U „ = сигнала на выходе блока 24 сравнения нет. Аналогичным образом, происходит сравнение амплитудных значений полуБлок 24 сравнения формирует импульс останова Х9 в тот такт измерений, когда из двух сравниваемых амплитудI ных значений напряжений полуволн пре13198 ления частоты сканирующего генератора 1 в этот момент времени вычислительным блоком 9.

Вычислительный 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- fP стоту сигнала по его периоду в данный момент времени. Полученное значение частоты и „„ =ы„(1+$) записы-, вается в счетчик 26 и по положительному входу в реверсивный счетчик

29. b момент обратного прохождения максимума резонансной кривой в счетчик 26 добавляется значение частоты

Или = C3 (1 Я), ПОскОльку прН 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- 25 эонансной кривой в счетчике 26.записано число, равное (ид„„ +сади„ ), а в реверсивном счетчике 29 — равное

b<=(QI„-QI, ). 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 сойеР- 35 жимого 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- 5 ной и стабильной скорости сканирования :пропорционален добротности исследуемого резонирующего тела, Зная значение скорости сканирования, можно подобрать коэффициент преобра- 50 зования 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 8

Погрешность измерения собственных параметров известного устройства определяется в основном аппаратурной реализацией измерителя частоты и может достигать 5Х.

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 значением амплитуды 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 =

II%

=1 Гц/с и нестабильности — ==17 сум A маркое значение погрешности для рассматриваемого класса резонирующих тел (мышцы) составляет 1-2,5Х.

Сравним соотношение мощностей, требуемых для возбуждения колебаний резонирующего тела с начальной амплитудой колебаний А при импульсном

О возбуждении (известное устройство) и при возбуждении сигналом определенной частоты (возбуждение частотномодулированным сигналом).

Мощность, затрачиваемая на возбуждение колебаний при импульсном возбуждении, равна

0имп

P имп где U значение напряжения прямоугольного импульса, подава емого в обмотку возбуждения (В);

R — сопротивление обмотки возбуждения — (Ом) .

9 !319823 10

При оптимальной длительности возбуж- Ф о р м у л а и з о б р е. т е н и я дающего импульса t, „=0,05 мс амплитуда колебаний А связана с напряжени- 1. Устройство для определения соб ем прямоугольного импульса следующим ственных параметров резонирующих соотношением: тел, содержащее вычислительный блок

Средняя мощность гармонического сигнала равна

P

Для реальных значений параметров исследуемых резонирующих тел (доброт. ность 1-5, оптимальная длительность возбуждающего сигнала 0,05 мс) отношение мощностей составляет

Að (115-2) U„„„Kâîüü Kðåú где К,,К „- коэффициенты преобразования возбудителя колебаний и резонирующего f0 тела и зависяшие;

К вЂ” от типа возбудителя

К1ев от места приложения импульсного воздействия, состояния кожного по- 15 крова.

Для возбуждающего сигнала с частотой, совпадающей с частотой собствен-, I ных колебаний резонирующего тела, связь амплитуды колебаний мышцы Ао 20 и возбуждающего напряжения Б принимает вид

Ао Ue Квозв K pea> где Б " амплитудное значение напря- 25 жения гармонического возбуждающего сигнала.

P „, 2 Q

-@ - — - — —; = 5-10, Р, (1, 5-2) 40 т.е. для возбуждения колебаний мьппцы с амплитудой А, в предлагаемом устройстве потребуется мощность в

5-10 раз меньшая, чем при импульсном возбуждении (как в известном 45 устройстве) до той же амплитуды, что значительно повышает электробеэопасность устройства при исследовании живых тканей.

Кроме того, применение одного ска-, нирующего генератора для возбуждения при наличии нескольких приемников колебаний позволяет проводить одновременное измерение собственных параметров нескольких мышц. Это может быть необходимо при экспресс-ана. лизе состояния нескольких мьпшц 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.

?. Устройство по п. 1, о т л и—

1 ч ающе е с я тем, что блокфиксации максимума резонансной кривой содержит первый и второй формирова-. тели 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 соответствующий 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.

ro подключены соответственно к первому и второму входам блока сравне13198 ния, выход которого соединен с вторыми входами первого и второго пиковых детекторов и с выходом блока фиксации максимума резонансной кривой.

3. 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- 10 гистр, последовательно подключенные второй триггер, реверсивный счетчик, перемножитель и блок масштабирования, последовательно соединенные делитель частоты, вторую линию задерж- 15 ки и третью линию задержки, первый вход измерителя частоты по периоду подключен к первому входу вычислитель23 12 ного 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.

1319823 Рие. 6

Составитель N.Ïëàñòèíèí

Редактор Н.Швыдкая Техред В.Кадар

Корректор Т,Колб

Тираж 595 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 2539/2

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