Устройство для измерения частоты сердечных сокращений

 

Устройство для измерения частоты сердечных сокращений позволяет повысить эффективность использования устройства в условиях сосморегуляции частоты сердечных сокращений (ЧСС), особенно при работе с детьми младшего школьного и дошкольного возраста. Электрокардиосигнал снимается электродами 1 и 2, проходит усилитель 3 и формирователь импульса R- зубца, выходные сигналы которого поступают на преобразователь 5 интервала времени в количестве импульсов, блок 6 усреднения , блок 20 тревожной сигнализации со световым индикатором 21 тревоги, первый двоичный счетчик 9 импульсов и первый параллельный регистр 10 памяти. Блок 7 памяти с цифровым индикатором 8 дают возможность измерять усредненное значение ЧСС в цифровом виде. Канал, содержащий цифро-аналоговый преобразователь 11, компаратор 12, второй параллельный регистр 15 памяти, дешифратор 16 и линейный светодиодный индикатор 17, дает возможность наблюдать отклонение ЧСС от заданных верхнего и нижнего порогов блоком 13 установки порогов. Одновременно осуществляется звуковой контроль преобразователем 18 код-частота и источником 19 звука. При выходе ЧСС за заданные пределы срабатывает блок 20 тревожной сигнализации. Блок 14 - десятичный счетчик импульсов. Общая синхронизация работы устройства осуществляется генератором 22 тактовых импульсов. 3 з.п.ф-лы, 5 ил. (Л ч

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s А 61 В 5/024

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4793158/14 (22) 16.02.90. (46) 07.09.92. Бюл. МЗЗ (71) Научно-технический кооператив "Биосвязь (72) Ю.П.Темкин, Д.Е.Фомин и А.А.Сметанкин (56) Заявка Франции ЬЬ 2511594, кл. А 61 В

5/02, 1983.

Патент США М 4108166, кл. А 61 В

5/02, 1978. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ СЕРДЕЧНЫХ СОКРАЩЕНИЙ (57) Устройство для измерения частоты сердечных сокращений позволяет повысить эффективность использования устройства в условиях сосморегуляции частоты сердечных сокращений (ЧСС), особенно при работе с детьми младшего школьного и дошкольного возраста. Электрокардиосигнал снимается электродами 1 и 2, проходит усилитель 3 и формирователь импульса Rзубца, выходные сигналы которого поступаИзобретение относится к области медицины и медицинской техники и может быть использовано в профилактических и лечебных целях, а также в спортивной медицине для сознательной коррекции и регуляции частоты сердечных сокращений.

В последнее время в СССР стала развиваться область медицины, использующая принципы биологической обратной связи, ют на преобразователь 5 интервала времени в количестве импульсов, блок 6 усреднения, блок 20 тревожной сигнализации со световым индикатором 21 тревоги, первый двоичный счетчик 9 импульсов и первый параллельный регистр 10 памяти. Блок 7 памяти с цифровым индикатором 8 дают возможность измерять усредненное значение ЧСС в цифровом виде. Канал, содержащий цифра-аналоговый преобразователь

11, компаратор 12, второй параллельный регистр 15 памяти, дешифратор 16 и линейный светодиодный индикатор 17, дает возможность наблюдать отклонение ЧСС от заданных верхнего и нижнего порогов блоком 13 установки порогов. Одновременно осуществляется звуковой контроль преобразователем 18 код-частота и источником 19 звука.

При выходе ЧСС за заданные пределы срабатывает блок 20 тревожной сигнализации.

Блок 14 — десятичный счетчик импульсов.

Общая синхронизация работы устройства осуществляется генератором 22 тактовых импульсов. 3 з.п.ф-лы, 5 ил. при которых показатели параметров жизнедеятельности организма, такие, как частота сердечных сокращений (ЧСС), мышечная активность, электроэнцефалограмма и т.п., используются для проведения тренинга на их сознательную коррекцию и регуляцию.

Известно устройство для слежения за пульсом, которое может быть использовано для изменения ЧСС за счет изменения фи1759401

55 зической нагрузки. Устройство содержит датчик импульса, блок обработки сигнала с индикатором пульса, блок установки порогов, компаратор, световой и звуковой сигнализаторы выхода ЧСС за пороги. Это устройство неудобно, а в ряде случаев невозможно (при работе с детьми) использовать для направленного изменения ЧСС, не связанного с изменениями физической нагрузки, например, при аутотренинге на релаксацию.

Наиболее близкими к заявляемому по технической сущности является устройство для измерения ЧСС, содержащее электроды отведения, усилитель, формирователь, частотомер, соединенные последовательно, блок установки порогов ЧСС, компаратор, цифровой индикатор, источник звука и генератор частоты. Электрокардиосигналы с электродов усиливаются и подаются на формирователь стандартных прямоугольных импульсов, соответствующих R-зубцам электрокардиосигнала. Длительность между началами соседних импульсов, вычисленная с помощью частотомера, записывается в блок памяти, где она хранится до прихода следующего импульса. Из блока памяти сигнал поступает на блок цифровой индикации, где высвечивается мгновенное значение

ЧСС в уд/мин, и компаратора. При выходе реальной ЧСС за пороги включается звуковой сигнал.

Известное устройство обладает следующими недостатками. — трудно следить за изменениями ЧСС в пределах, ограниченных порогами, так как единственным индикатором является цифровой; при работе с детьми младшего возраста (5 — 7 лет) эта трудность становится непреодолимой; — отсутствие звуковой сигнализации об изменениях ЧСС между порогами вынуждает постоянно концентрировать внимание на цифровом индикаторе, что неудобно, например, во время движения, а для детей младшего возраста невозможно; — повышается психоэмоциональная напряженность при выходе ЧСС за пороги, что недопустимо в условиях саморегуляции.

Целью изобретения является повышение эффективности использования устройства в условиях саморегуляции частоты сердечных сокращений, особенно при работе с детьми младшего школьного и дошкольного возраста.

Поставленная цель достигается тем, что на цифровой индикатор выведено среднее значение ЧСС, для чего введены преобразователь интервала времени в количестве импульсов и блок усреднения, а индикация мгновенной ЧСС осуществляется линейным светодиодным индикатором и изменением тона источника звука, Код для управления этими индикаторами получают за счет введения первого двоичного счетчика, первого параллельного регистра, цифро-аналогового преобразователя для преобразования величины ЧСС в постоянное напряжение, а также десятичного счетчика и блока установки порогов с линейно изменяющимся напряжением на выходе и второго параллельного регистра. Этот код поступает через дешифратор на линейный световой индикатор и через преобразователь код-частота на источник звука. Для индикации выхода ЧСС за пороги введен блок сигнализации со световым индикатором тревоги, причем связан он с формирователем импульса R-зубца для снижения психоэмоциональной напряженности в этот момент, и с преобразователем код-частота.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства; на фиг.2 — фун кционал ьная схема преобразователя интервала времени в количество импульсов; на фиг,3— функциональная схема блока установки порогов; на фиг.4 — функциональная схема блока тревожной сигнализации; на фиг,5— временные диаграммы.

Устройство содержит (фиг,1) электроды

1 и 2, усилитель 3, формирователь 4 импульса R-зубца, преобразователь 5 интервала времени в количество импульсов, блок 6 усреднения, блок 7 памяти, цифровой индикатор 8, первый двоичный счетчик 9 импульсов, первый параллельный регистр

10 памяти, цифро-аналоговый преобразователь 11 (ЦАП), компаратор 12, блок 13 установки порогов, десятичный счетчик 14 импульсов, второй параллельный регистр 15 памяти, дешифратор 16, линейный светодиодный индикатор 17, преобразователь 19 код-частота, источник 19 звука, блок 20 тревожной сигнализации, световой индикатор

21 тревоги, а также генератор 22 тактовых импульсов.

В свою очередь преобразователь 5 интервала времени в количество импульсов содержит (фиг.2) второй двоичный счетчик

23 импульсов, третий параллельный регистр

24 памяти, программируемый делитель 25 частоты и первый элемент И 26.

Блок 13 установки порогов содержит (фиг.3) электронный ключ 27, интегратор 28, инвертор 29, первый и второй делители 30 и

31 напряжения, сумматор 32 и источник 33 опорного напряжения.

1759401

Блок 20 тревожной сигнализации (фиг.4) включает третий и четвертый двоичные счетчики 34 и 35 импульсов, элемент ИЛИ

36, три элемента И 37, 38 и 39 и элемент НЕ

40.

Устройство работает следующим образом.

Электрокардиосигналы, снимаемые с электрода 1 и 2, наложенных на область грудной клетки, проходят через усилитель 3 и поступают на вход формирователя 4 импульсов R-зубца, в котором они калибруются по длительности и амплитуде, после чего подаются на первый вход преобразователя

5. Преобразователь 5 интервала времени в количество импульсов формирует на выходе ответ на каждый удар пульса пачку импульсов, число N которых равно мгновенной

ЧСС в ударах/мин, а длительность пачки равна tn = 0,234275 с, Для этого на его входы подаются импульсы с выходов генератора

22 тактовых импульсов; на второй вход с частотой f> =- 128 Гц, на третий вход — с частотой fg = 32768 Гц, на четвертый вход— импульс длительностью t> = 0,234375 с, Пачки из N импульсов подаются на первый вход блока 6 усреднения, на второй вход которого поступают импульсы с выхода формирователя 5. Блок 6 усреднения, выполненный на основе двоичных и двоично-десятичного счетчиков, делит каждую приходящую пачку импульсов на 2 (или на 4) и складывает пачки импульсов на N>/2 и N;+

ЧСС. С выходов блока 6усреднения сигналы поступают на блок 7 памяти, выполненный в виде регистра и дешифратора, Таким образом, на выходе блока 7 имеется трехразрядный семисегментный код, соответствующий средней ЧСС, который подается на цифровой индикатор 8 и обновляется каждые 2 или 4 удара сердца. С выхода преобразователя 5 пачка из N импульсов подается на счетный вход первого двоичного счетчика 9 импульсов, на вход сброса которого подаются импульсы с выхода формирователя 4. На выходе счетчика 9 — код, соответствующий мгновенной ЧСС, который подается на информационные входы первого параллельного регистра 10, на вход записи которого подаются импульсы с выхода формирователя 4. С выхода первого параллельного регистра 10 на вход ЦАП 11 подается код, соответствующий мгновенной ЧСС и обновляющийся на каждый удар

55 пульса, В ЦАП 11 этот код преобразуется в постоянное напряжение, величина которого пропорциональна мгновенной ЧСС (точка

"а" на временной диаграмме фиг.5). Это напряжение подается на вход компаратора 12.

На вход сравнения компаратора 12 подается с выхода блока 13 установки порогов пилообразное напряжение частотой 100 Гц, изменяющееся до значения, соответствующего нижнему порогу ЧСС, до значения, соответствующего верхнему порогу ЧСС (точка "б" на временной диаграмме фиг.5).

Частота 100 Гц задается десятичным счетчиком 14 импульсов, на счетный вход которого подаются импульсы частотой 1 кГц с пятого выхода генератора 22 тактовых импульсов.

При коде "10" на выходе счетчика 14, в нем вырабатывается импульс переноса, подаваемый на вход блока 13 установки порогов.

Напряжение на выходе компаратора 12 представлено на временной диаграмме фиг.5 (точка в). Из диаграммы видно, что при значении ЧСС, не выходящем за пределы порогов, величина ЧСС вырабатывается в широтной импульсной модуляции напряжения на выходе компаратора 12. Задний фронт широтно-модулированных импульсов является импульсом записи во второй параллельный регистр 15, на информационные входы которого подан изменяющийся с частотой 1 кГц код со счетчика 14. Таким образом, широтно-импульсная модуляция преобразуется в код, который в дешифраторе 16 преобразуется в номер светодиода линейного светодиодного индикатора 17, состоящего из 10 светодиодов и показывающего относительное значение текущего пульса в пределах от нижнего до верхнего порогов. На соответствующий светодиод подается напряжение зажигания. С увеличением ЧСС в пределах порогов на индикаторе 17 зажигается все более верхний светодиод, причем самый верхний светодиод соответствует верхнему порогу, а самый нижний — нижнему. Тот же код с выхода регистра 15 подается также на информационный вход преобразователя 18 код-частота, на сигнальный вход которого подаются импульсы частотой 16 кГц с четвертого выхода генератора 22 тактовых импульсов, На выходе преобразователя 18 частота импульсов пропорциональна коду на информационном входе, т.е. высота тона звукового сигнала источника звука 19 повышается с увеличением ЧСС. Если величина ЧСС выходит за пределы порогов, линейный светодиодный индикатор 17 отключается. Для определения факта выхода за установленные пороги на первый вход блока 20 тревожной сигнализации подаются сигналы с

1759401

10 выхода компаратора 12, а на второй вход— с выхода переноса десятичного счетчика 14.

При этом на третий вход блока 20 подается сигнал ЧСС с выхода формирователя 4. Если текущая ЧСС находится в пределах порогов, то с выхода компаратора 12 на первый вход блока 20 приходят импульсы с частотой следования 100 Гц. Если ЧСС выходит за один иэ порогов, то сигнал на первом входе превращается в постоянный уровень, соответствующий логической "1" (при выходе за верхний порог) или логическому "О" (при выходе.за нижний). При этом сигналы с третьего входа проходят на первый выход или на второй выход и на третий выход. С первого и второго выходов сигнал поступает на световой индикатор 21 тревоги, который выполнен в виде двух светодиодов, одни из которых начинают мигать с частотой, равной ЧСС. С третьего выхода сигнал поступает на управляющий вход преобразователя

18 код-частота и прерывает звуковой сигнал соответствующего тона с частотой, равной

ЧСС.

Преобразователь 5 интервала времени в количество импульсов (фиг.2) работает следующим образом.

На счетный вход второго двоичного счетчика 23 подаются импульсы с частотой

f< с первого выхода генератора 22 тактовых импульсов. На выходы сброса счетчика 23 и записи третьего параллельного регистра 24 памяти подаются импульсы с формирователя 4. На первый вход элемента 26 И с выхода генератора 22 подаются импульсы частотой

fz, а на второй — импульс, длительность которого равна времени пересчета tn с третьего выхода генератора 22. Счетчик 23 в интервале между импульсами формирователя 4 считает от 0 с частотой f <. По импульсу

R-зубца информация со счетчика 23 переписывается в третий параллельный регистр 24, а сам счетчик обнуляется. После этого программируемый делитель 25 частоты, работающий как счетчик на вычитание, вычисляет, сколько раз число, записанное в регистре

24, укладывается в интервале времени пересчета tn, если считать с частотой fz, При этом импульсы с частотой fz подаются на счетный вход делителя 25, а на его вход предустановки подаются импульсы с его же выхода заема, являющиеся и выходными сигналами блока 5. Код на выходе регистра

24 определяется следующим соотношением п = Т f1, где Т вЂ” время R — R интервала, а количество импульсов на выходе делителя

25 можно определить по формуле:

f2 tn f2 tn и Т f>

Выбрав f1= 128 Гц, а 1 = 32768 Гц и зная, что интервалу Т = 1c должно соответствовать N = 60 уд/мин, вычисляем время пересчета tn = 0,234375 с. Сформировав импульс такой длительности на третьем выходе генератора 22, получаем преобразователь времени R — R интервала в количество импульсов, равное числу ударов сердца в минуту.

Блок 13 установки порогов (фиг.3) работает следующим образом, На вход интегратора 28 подано постоянное опорное напряжение от источника 33.

На его выходе вырабатывается линейно нарастающее напряжение, которое с помощью электронного ключа 27 с частотой

100 Гц, подаваемой с выхода переноса счетчика 14, сбрасывается в ноль. Полученное пилоообразное напряжение ин вертируется с по."лощью первого инвертора 29. Обе пилы с выхода инвертора 29 и интегратора 28 подаются на соответствующие делители напряжения 30 и 31. Это потенциометры, на оси KQTopbix надеты лимбы, оцифрованные в значениях ЧСС, С помощью потенциометров значению заданного порога Ч СС ставится в соответствие амплитуда пилообразного напряжения. С делителей 30 и 31 эти напряжения поступают на сумматор 32, на выходе которого получаем пилообразное напряжение, нижний уровень которо о соответствует нижнему порогу, а амплитуда — разности между верхним и нижним порогом.

Блок 20 тревожной сигнализации (фиг.4) работает следующим образом.

На счетные входы третьего и четвертого двоичных счетчиков 34 и 35 подаются импульсы частотой 100 Гц с выхода переноса десятичного счетчика 14, Hoo" вход сброса третьего двоичного счетчика 34 подается сигнал с выхода компаратора 12, а на вход сброса, четвертого двоичного счетчика 35— этот же сигнал, проинвентированный с помощью элемента 40 НЕ. Если значение текущей ЧСС находится в пределах порогов, то на каждый счетный импульс приходит импульс сброса и на выходе обоих счетчиков

34 и 35 (соответствующих делению частоты на 4) сохраняется уровень логического О.

Если же текущая ЧСС выходит, например, за верхний порог, то на выходе компаратора 12 устанавливается уровень логической "1" и пропадают импульсы на входе сброса счетчика 35, Счетчик досчитывает до появления на выбранном выходе уровня логической

"1", и сам себя останавливает при помощи обратной связи, поданной на вход разрешения счета. Появившийся на его выходе сигнал разрешает прохождение сигнала с выхода формирователя 4 на соответствую1759401

10 щий светодиод светового индикатора 17 тревоги и на преобразователь 18 код-частота через элементы коммутации 36, 37, 38 и

39.

Устройство для измерения ЧСС значительно повышает наглядность и удобство представления информации об изменениях

ЧСС за счет применения линейного светового индикатора, на котором изменения

ЧСС представлены в виде перемещающегося светового "зайчика", а также за счет изменения тональности звука, что позволяет использовать его для регуляции ЧСС у детей. Применение в качестве тревожной сигнализации прерывистого звукового и светового сигнала активизирует внимание при выходе ЧСС за пороги, причем уровень психоэмоционального напряжения не превышается, так как прерывание звука и света происходит с частотой сердечных сокращений.

Испытания устройства при регуляции

ЧСС для выработки правильного дыхания при бронхиальной астме у детей показали, что скорость приобретения навыков регуляции ЧСС значительно увеличивается по сравнению с применением устройства-прототипа.

Формула изобретения

1, Устройство для измере;.ия частоты сердечных сокращений, содержащее последовательно соединенные усилитель, к входам которого подключены два электрода, и формирователь импульса R-зубца, последовательно соединенные блок памяти и цифровой индикатор, компаратор, вход сравнения которого подключен к выходу блока установки порогов, генератор тактовых импульсов и источник звука, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения эффективности использования устройства в условиях саморегуляции частоты сердечных сокращений, особенно при работе с детьми младшего школьного и дошкольного возраста, оно дополнительно содержит последовательно соединенные первый двоичный счетчик импул ьсов, вход сброса которого соединен с выходом формирователя импульса

R-зубца, первый параллельный регистр памяти, вход записи которого подключен к входу сброса первого двоичного счетчика импульсов, и цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с входом компаратора, последовательно соединенные десятичный счетчик импульсов, второй параллельный регистр памяти, вход записи которого подключен к выходу компаратора, дешифратор и линейный светодиодный индикатор, последовательно соединенные преобразователь интервала времени в ко5

А0

55 личестве импульсов, первый вход которого подключен к выходу формирователя импульса R-зубца, а второй, третий и четвертый входы подключены к первому, второму и третьему выходам генератора тактовых импульсов, и блок усреднения, второй вход которого подключен к выходу формирователя импульса R-зубца, а информационный выход соединен с информационным входом блока памяти, вход записи которого подключен к дополнительному выходу блока усреднения, преобразователь код — частота, выход которого соединен с источником звука, а информационный вход подключен к выходу второго параллельного регистра памяти, световой индикатор тревоги и блок тревожной сигнализации, первый вход которого подключен к выходу компаратора, второй вход соединен с выходом переноса десятичного счетчика импульсов и входом блока установки порогов, третий вход подключен к выходу формирователя импульса

R-зубца, первый и второй выходы соединены соответствующими входами светового индикатора тревоги, а третий выход подключен к входу управления преобразователя код — частота, сигнальный вход которого соединен с четвертым выходом генератора тактовых импульсов, пятый выход которого подключен к счетному воду десятичного счетчика импульсов.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что преобразователь интервала времени в количество импульсов содержит последовательно соединенные второй двоичный счетчик импульсов, третий параллельный регистр памяти и программируемый делитель частоты, а также первый элемент И, первый и второй входы которого являются третьим и четвертым входами преобразователя, а выход соединен со счетным входом программируемого делителя частоты, выход которого подключен к его же входу предустановки и одновременно является выходом преобразователя, вторым входом которого является счетный вход второго двоичного счетчика импульсов, а первый вход преобразователя подключен к входу сброса второго двоичного счетчика импульсов и входу записи третьего параллельного регистра памяти.

3. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что блок установки порогов содержит последовательно соединенные источник опорного напряжения, интегратор, инвертор, первый делитель напряжения и сумматор, выход которого является выходом блока, а также электронный ключ, установленный параллельно интегратору, и второй делитель напряжения, установлен1759401 ный между выходом интегратора и вторым входом сумматора, при этом вход управления электронного ключа является входом блока установки порогов.

4. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что блок тревожной сигнализации содержит элемент Н Е, второй и третий двоичные счетчики импульсов, элемент ИЛИ и второй, третий и четвертый элементы И, выходы которых являются соответственно первым, вторым и третьим выходами блока, первый вход блока подключен к входу сброса второго двоичного счетчика импульсов непосредственно и к входу сброса третьего двоичного счетчика импульсов через элемент НЕ, второй вход блока подключен к счетным входам второго и третьего двоичных счетчиков импульсов, третий вход блока

5 соединен с первыми входами второго, третьего и четвертого элементов И, выход второго двоичного счетчика импульсов соединен с его входом разрешения счета, первым входом элемента ИЛИ и вторым входом

10 второго элемента И, выход третьего двоичного счетчика импульсов соединен с его входом разрешения счета, вторым входом третьего элемента И и вторым входом элемента ИЛИ, выход которого подключен к

15 второму входу четвертого элемента И.

1759401

1759401

40

50

Составитель 4.Фомин

Техред М.Моргентал Корректор А.Мотыль

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3132 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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