Система диагностики по статическому низкочастотному сигналу

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для передачи информации об объекте диагностирования. Достигаемый технический результат - получение координат в моменты отсчета данных. Устройство содержит последовательно соединенные датчик, программируемый усилитель, аналого-цифровой преобразователь, а также блок эталонов, оперативную память, генератор сетки тактовых частот, блок управления, блок представления, преобразователь время - цифра, анализатор длительности импульса, блок принятия решения, анализатор фронта, преобразователь кода, формирователь импульсов по фронту и спаду и анализатор амплитуды, соединение которых в соответствии с решаемой задачей позволяет осуществлять постановку диагноза у обследуемых объектов. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для преобразования, автоматической обработки, хранения и передачи информации об объекте (дыхательные органы, турбины), работа о котором характеризуется статическими показателями (ограничены уровень амплитуды и временной диапазон сигнала), и постановки диагноза в медицинской технике.

Известно устройство для сжатия данных по а.с. N 1484341, A 61 B 5/04, 1989, в составе АЦП, генератора импульсов, управляемых элементов, задержки, инвертора, сумматоров, счетчика, элементов И, ИЛИ, блока сравнения, блоков памяти.

Недостаток устройства - существенная избыточность результатов преобразования.

Наиболее близким по технической сущности является "Многоканальное устройство для регистрации информации", а.с. N 1236452, G 06 F 3/00, содержащее последовательно соединенные датчик (микрофон), усилитель, аналого-цифровой преобразователь, а также элементы задержки, регистр сдвига, оптронные переключатели, блоки преобразования данных, элементы И-НЕ, дешифратор, мультиплексор, блок управления, оперативная память (ОЗУ), модуль параллельного интерфейса, ПЗУ (блок эталонов), микропроцессор, последовательный интерфейс, делитель частоты и генератор тактовых импульсов (образующих генератор сетки тактовых частот), демультиплексор, блок регистрации.

Недостаток данного устройства - отсутствие данных во временной области для постановки диагноза об отклонении в работе объекта.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение координат в моменты отсчета в виде разновременности последующего относительно предыдущего для диагностики сравнением заданных норм во временной области с текущими значениями.

Технический результат достигается тем, что в систему диагностики по статическому низкочастотному сигналу, содержащую последовательно соединенные датчик, программируемый усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), а также блок эталонов, оперативную память, генератор сетки тактовых частот, блок управления, введены соединение аналого-цифрового преобразователя через последовательное соединение преобразователя время-цифра, анализатора длительности импульса, блока принятия решения с блоком представления, а через блок управления - с программируемым усилителем и блоком принятия решения, причем второй выход блока управления подключен к анализатору фронта, анализатору длительности импульса, оперативной памяти, преобразователю кода и через блок эталонов к анализатору амплитуды, анализатору фронта, анализатору длительности импульса, блоку принятия решения, четвертый вход которого связан с анализатором амплитуды, пятый - с анализатором фронта, при этом первый выход аналого-цифрового преобразователя через последовательное соединение формирователя импульсов по фронту и спаду, преобразователь время-цифра, оперативной памяти, преобразователя кода связан с выходом, первый выход генератора сетки тактовых частот связан с преобразователем кода, второй через преобразователь время-цифра - с анализатором фронта, третий - с анализатором длительности импульса и анализатором фронта, второй выход анализатора амплитуды подключен к анализатору фронта и анализатору длительности, второй выход анализатора длительности импульса связан с блоком управления, второй выход аналого-цифрового преобразователя связан с оперативной памятью и анализатором амплитуды, третий выход - с программируемым усилителем, причем вход программирования соединен с блоком управления.

Введение преобразователя время-цифра с совокупностью связей необходимо и достаточно для получения информации о сигнале во временной области с максимальной информационной ценностью, которой обладают интервалы между соседними отсчетами в момент изменения знака первой производной.

Введение блока принятия решения необходимо и достаточно для формирования сигнала на блок представления по данным с анализаторов длительности, фронта и амплитуды по команде блока управления, при отклонении всех параметров формируется поочередная их визуализация. Подобное построение упрощает блок представления, исключая избыточность в техническом решении и, как следствие, стоимость, что важно для массового потребления.

Введение формирователя импульсов по фронту и спаду сигнала необходимо и достаточно для представления с выхода блока АЦП информации о выделении момента изменения знака первой производной сигнала sgn du/dt с выхода "знак" в единой форме для подачи на управляющие входы преобразователя время-цифра, упрощения построения ПВЦ за счет единообразия сигнала представления изменения импульса с АЦП.

Введение анализатора амплитуды необходимо и достаточно для определения момента превышения заданного нормального уровня сигнала для данного объекта, формирования команды разрешения работы сопрягаемых анализаторов и определения уровня сигнала U_с как идентификатора степени патологии. Алгоритм анализатора построен на сравнении текущего значения амплитуды с заданной нормой минимума, т.е. нормального состояния и формирования сигнала на блок управления о факте превышения заданной нормы, что является основанием записи кода об амплитуде в порт и подаче сигнала разрешения блоку принятия решения о работе с блоком представления, выдачи данных об амплитуде сигнала на блок принятия решения.

Введение анализатора фронта необходимо и достаточно для выдачи сигнала о нормальной работе, исключающего формирование избыточной информации об отсутствии нарушений, формирования сигнала о факте превышения уровня нормального состояния, диагностики по представляемой в цифровом двоичном коде величине фронта сигнала при превышении им заданного уровня с последующей оценкой степени заболевания по величине амплитуды и скорости изменения сигнала как критериях, например, сжатия/раскрытия альвеол органов дыхания.

Введение анализатора длительности необходимо и достаточно для выявления отклонений текущего значения длительности с заданными нормами по результатам сравнения, дифференцированной оценки патологии по виду отклонения: меньше нормы - свист, больше нормы - хрип, что в совокупности с информацией об уровне амплитуды дает возможность идентифицировать степень заболевания, выделения R-зубца, подсчета их количества за определенный промежуток времени в случае обследования человека, формирования сигнала смены визуализируемой информации через определенное количество R-зубцов, что исключает утомляемость при работе с системой.

Введение входа управления необходимо и достаточно для задания режима работы: начало/конец, вывод в блок представления, ПВЭМ или телефонную линию, разрешение/запрет вывода основной информиации, дополнительной, например, о работе сердца.

Таким образом, совокупность введенных элементов и связей обеспечивает получение временных координат, повышение информационной ценности результатов за счет анализа работы по информационно ценным параметрам сигнала во временной области, результаты которого являются основой диагностики и анализа работы объекта (органов дыхания, турбины,..) по параметрам (амплитуда, длительность) во временной области. Объем данных достаточен для выявления отклонений/заболевания и графического представления сигнала на экране монитора ПЭВМ программными средствами. Дополнительным положительным эффектом является при обследовании человека - получение информации о работе сердца, оперативное принятие решений техническими средствами до вмешательства человека при критических отклонениях объекта без дополнительных затрат.

Элементы/блоки выполняют простые операции - сравнение, счет, которые могут быть выполнены в микроэлектронном исполнении. Последнее позволит реализовать систему диагностики в малогабаритном варианте, соизмеримом с известными в медицине (стетаскоп) и технике (двигатели кораблей, турбины станций, ..).

На фиг. 1 представлена система диагностики по статистическому сигналу, вариант для органов дыхания, на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу системы.

Система диагностики содержит датчик 1, программируемый усилитель 2, аналого-цифровой преобразователь 3 (АЦП), обеспечивающий выделения момента изменения знака первой производной sgn du/dt входного сигнала, блок 4 управления, преобразователь 5 кода, генератор 6 сетки тактовых частот, преобразователь 7 время-цифра (ПВЦ), оперативная память 8, формирователь 9 импульсов по фронту и спаду сигнала, блок 10 эталонов, анализатор 11 длительности, анализатор 12 фронта, анализатор 13 амплитуды, блок 14 принятия решения, блок 15 представления, вход управления 16.

Датчик 1 последовательно соединен с программируемым усилителем 2, аналого-цифровым преобразователем 3, выход которого связан с блоком 15 представления через последовательно соединенные преобразователь 7 время-цифра, анализатор 11 длительности импульса, блок 14 принятия решения, а через блок управления 4 - с программируемым усилителем 2 и блоком принятия решения 14, второй выход блока 4 управления подключен к анализатору 12 фронта, анализаторау 11 длительности импульса, оперативной памяти 8, преобразователю 5 кода, а через блок 10 эталонов - к анализатору 13 амплитуды, анализатору 12 фронта, анализатору 11 длительности, блоку 14 принятия решения, четвертый вход которого - с анализатором 13 амплитуды, пятый - с анализатором 12 фронта, при этом первый выход аналого-цифрового преобразователя 3 через последовательное соединение формирователя 9 импульсов по фронту и спаду, преобразователь 7 время-цифра, оперативная память 8, преобразователь 5 кода связан с выходом системы, первый выход генератора 6 сетки тактовых частот связан с преобразователем 5 кода, второй - с преобразователем 7 время-цифра, третий - с анализатором 11 длительности импульса и анализатором 12 фронта, второй выход анализатора 13 амплитуды подключен к анализатору 12 фронта и анализатору 11 длительности импульса, второй выход анализатора 11 длительности связан с блоком 4 управления, второй выход аналого-цифрового преобразователя 3 связан с оперативной памятью 8 и анализатором 13 амплитуды, третий выход - с программируемым усилителем 2.

Система диагностики по статическому низкочастотному сигналу (фиг. 1) работает следующим образом.

В исходном состоянии усилитель 2 установлен в режим максимального усиления для ниже среднего по мощности сигнала, например при дыхании, что задается потенциалами блока 3 АЦП и блока 4 формирователя импульсов управления. Данный режим определяется заданным алгоритмом в блоке 3 АЦП при отсутствии входного сигнала с датчика 1. Алгоритм предусматривает установку максимального коэффициента усиления после подачи напряжения. Коэффициент усиления оптимизируют: по сигналу R-зубца (фиг. 2) работающей сердечной мышцы, по факту отсутствия сигналов на выходе "знак" АЦП блоком 3 (АЦП), по факту превышения уровнем входного сигнала допустимого диапазона напряжения преобразования. Алгоритм адаптации и выборки определяется блоком 4 в соответствии с программой по входу 16. В частности, критерием может быть длительность (фиг. 2) T_p каждого символа, что определяется сигналом с выхода "знак" блока 3. Реализация алгоритма каждого критерия осуществляется выборкой блоком 4 определенной области блока эталонов 10 при помощи счетчика импульсов с ПВЦ 7.

Сигнал с датчика 1 после усиления блоком 2 поступает на блок АЦП 3, обеспечивающий импульсный сигнал (фиг. 2) dt_i на выходе формирователя 9 в момент изменения знака первой производной входного напряжения (фиг. 2) U_c, цифровой код на входе "вых" (фиг. 1), адекватный уровню входного сигнала U_с в момент формирования сообщения на выходе "знак", сигнал на выходе "а" блока 3 о превышении предельного уровня.

Импульс с выхода "знак" блока 3, сформированный в момент времени t₀, через блок 4 поступает на ПВЦ 7, идентифицируя команду начала счета. Последующие импульсы (фиг. 2) dt_i в моменты времени t_i,... через формирователь 9 импульсов по фронту и спаду осуществляют запись в блок 8 текущего значения двоичного кода, адекватного амплитуде и разновременности относительно предыдущего отсчета. Промежуточное запоминание необходимо для согласования при передаче данных во внешние системы и опознавания патологий путем сравнения с заданным кодом. Опознание осуществляется по значениям координат: амплитуда и время. Приоритетным критерием является величина разновременности между соседними отсчетами, т.к. уровень амплитуды зависит от интенсивности звукового воздействия. Исходные данные о длительности временного интервала представляются в виде двух значений (фиг. 2) T_p: в случае совпадения момента sgn du/dt между данными величинами - отсутствие заболевания, меньше - "свист", больше - "хрип".

В исходном состоянии с блока 10 на анализаторы 11, 12, 13 считываются нормы A^н, A анализируемых параметров, при несоответствии которым входных величин формируются сигналы для блока 14. С ПВЦ 7 на анализаторы 11, 12 постоянно подаются данные преобразования временного интервала. Анализатор 11 идентифицирует параметры: "хрип", "свист" и R-зубец по заданным нормам и уровню амплитуды. Основным критерием выделения R-зубца является существенно большая величина длительности и амплитуды (фиг. 2) U_с. Схема выделения R-зубца в составе анализатора 11 содержит счетчик импульсов за интервал времени 10 с (с генератора 6 сетки частот), по истечении которого результат передается в блок 14, а каждый 4-й R-зубец используется в блоке 14 для перезаписи данных о других параметрах. Это исключает мерцание информации на блоке 15 в процессе работы. Каждым импульсом формирователя 9 из сигнала блока 3 в момент sgn du/dt изменения (фиг. 2) dT_j знака первой производной отклика системы на работу органов дыхания, анализаторы 11, 12 передают в блок 14 принятия решений информацию о результатах соответствия текущей величины временного интервала заданным нормам. В период между R-зубцами анализаторы подсчитывают количество отклонений с последующим представлением блоком 15. Алгоритм контроля систем турбины, не обладающих характерными отклонениями типа R-зубца, предусматривает подсчет количества сигналов, отличающихся от режима нормальной работы. Количественная идентификация создает условия диагностики отказа контролируемого объекта/турбины.

Положительный технический результат заключается в получении временных координат в моменты отсчета в виде разновременности последующего относительно предыдущего, что обеспечивает диагностику сравнением заданных норм во временной области с текущими значениями, возможности представления работы контролируемого объекта (органов дыхания) в амплитудно-временной области, что упрощает схемотехническое исполнение, реализации системы в микроэлектронном исполнении, отсутствуют частотно-зависимые элементы при сокращении физического объема в 4 - 5 раз в сравнении с известными, улучшении габаритно-весовых характеристик, малой энергоемкости источника питания.

Проведено логическое моделирование на ПЭВМ для варианта выполнения в микроэлектронном исполнении на ХС3000 фирмы Xilinx, работающих в мкватном режиме потребления, что особенно важно для терапевтов, педиатров и индивидуального потребителя.

Действие системы проверено на макетах, выполненных в основном на ИС серий 561 и 140, где использованы АЦП (патент РФ N 2024194), содержащий компаратор, ОЗУ, ЦАП, блок оценки знака первой производной, реверсивный счетчик, источник опорного напряжения с совокупностью связей, преобразователь время-цифра (ПВЦ) на основе решения, на которое принято положительное решение о выдаче патента по заявке N 94011424, в составе счетчика, триггеров, элементов И-НЕ, мажоритарного элемента и совокупности связей, формирователь 9 импульсов по фронту и спаду сигнала (патент РФ N 1409099), содержащий элемент исключающее ИЛИ и элементы НЕ. Технический результат определяется повышением ценности результатов преобразования до 90...95% без дополнительных систем обработки за счет исключения избыточности данных, при сокращении объема ОЗУ и снижении затрат в задании эталонных образов, стоимость реализации хранения которых является одной из самых дорогих. Кроме того, данная система диагностики снижает поток данных в среднем на 2 порядка, особенно, при работе с потоками данных острых заболеваний. Последнее особенно важно при передаче по телефонным каналам связи в центр диагностики, т.к. позволяет обходиться без подвижного носителя типа магнитной ленты. Апробация показывает: Результаты подтвердили работоспособность и эффективность для применения в областях: кардиологии, неврологии, технике. Разработка электронного стетаскопа повысит эффективность: терапевтов и педиатров при диагностике заболевания органов дыхания людей и снизит коэффициент облучения из-за флюорографии, контроля устройств непрерывного действия - турбины ТЭЦ, судов,.. введением автоматизированной системы, снижающих вероятность катастрофических ситуаций.

Формула изобретения

Система диагностики по статическому низкочастотному сигналу, содержащая последовательно соединенные датчик, программируемый усилитель, аналого-цифровой преобразователь, а также блок эталонов, оперативную память, генератор сетки тактовых частот, блок управления, отличающаяся тем, что введены соединение аналогоцифрового преобразователя через последовательное соединение преобразователя время - цифра, анализатор длительности импульса, блока принятия решения с блоком представления, а через блок управления - с программируемым усилителем и блоком принятия решения, причем второй выход блока управления подключен к анализатору фронта, анализатору длительности импульса, оперативной памяти, преобразователю кода и через блок эталонов - к анализатору амплитуды, анализатору фронта, анализатору длительности импульса, блоку принятия решения, четвертый вход которого связан с анализатором амплитуды, пятый - с анализатором фронта, при этом первый выход аналого-цифрового преобразователя через последовательное соединение формирователя импульсов по фронту и спаду, преобразователь время - цифра, оперативной памяти, преобразователя кода связан с выходом, первый выход генератора сетки тактовых частот связан с преобразователем кода, второй через преобразователь время - цифра - с анализатором фронта, третий - с анализатором длительности импульса и анализатором фронта, второй выход анализатора амплитуды подключен к анализатору фронта и анализатору длительности импульса, второй выход анализатора длительности импульса связан с блоком управления, второй выход аналого-цифрового преобразователя связан с оперативной памятью и анализатором амплитуды, третий выход - с программируемым усилителем, причем вход программирования соединен с блоком управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2