CS204847B1 - Zařízení pro snímání a číslicovou registraci dýchacích pohybů - Google Patents

Description

Vynález se týká zařízení pro snímání a číslicovou registraci dýchacích pohybů, tj. exkursí hrudní stěny v důsledku periodických kontrakcí inspiračních svalů a plícní elasticity. Tyto pohyby jsou sledovány a z mnoha hledisek vyhodnocovány v experimentální psychofysiologii, při výzkumu vyšší nervové činnosti a v mnoha dalších oborech, a to zejména ve vztahu k ostatním sledovaným fysiologickým funkcím.

I když pro kvantitativní hodnocení vydechovaných plynů sledování dýchacích pohybů nestačí, lze jej využít pro časové hodnocení výdechu a nádechu a pro posouzeni relativní hloubky nádechu, typu dýchání, plnění zadaných instrukcí, týkajících se dechu apod.

Pro tyto účely se nejčastěji používají odporové snímače realizované např. odporovým pružným materiálem - odporovou gumou - nebo tensometrickými odpory. Čidlo bývá fixováno ve zvoleném místě, zpravidla na hrudníku, s určitým předpružením a dýchací pohyby potom počáteční tah nebo tlak zvyšují, resp. zmenšují, čímž dochází k měřitelným změnám odporu.

Používaná zapojení jsou zpravidla můstková, avšak vyrovnávání můstku tak, aby bylo možno snímat i velmi pomalé, popřípadě stejnosměrné napětové změny, vyvolané pomalu se měnícími tlaky na měřicí čidlo, a to s nulovou klidovou napětovou úrovní a s potřebným dynamickým rozsahem, je prakticky nemožné bez častého dodatečného dokompensování měřicího můstku.

Proto se často používá mezi můstkem a vstupním zesilovačem střídavé vazby, která je příčinou ochuzení informace o pomalé, popřípadě stejnosměrné^složky dechových pohybů. Ke stejnosměrné složce dochází v případě, kdy pokusná osoba provádí mělké dýchání při částečném nádechu nebo při hlubokém výdechu, tj. při měnícím se residuálním objemu plic. Sledování residuální složky není se stávajícími způsoby měření prakticky možné, protože vede zpravidla jak k překročení dynamického rozsahu zesilovací cesty, tak rozsahu samotného indikátoru, např. pisátka galvanoměru.

Výhodou vynálezu je, že řeší snímání a registraci dýchacích pohybů tak, aby byly bez zkreslení zachovány všechny nízkofrekvenční složky sejmutého signálu, representuj ící dýchací pohyby v měřeném místě řezu hrudníkem, včetně stejnosměrné složky, charakterisující residuální objem plic, o níž se navíc předpokládá, že se během měření může měnit.

Dosavadní praxe ukázala, že při pokusech zahrnujících dýchání vnuceným rytmem a dechová cvičení s maximálními nádechy a výdechy, rychlými i velmi pomalými, je velmi obtížné stávajícími způsoby tento požadavek realizovat. Ekonomické řešení bylo nalezeno použitím integrální analogodigitální konverze do binárního kódu, při níž při překročení základního binárního rozsahu dochází ke ztrátě nejvyššího bitu, což se po ďigitálně-analogóvé konverzi projeví skokem z horní části rozsahu do dolní nebo naopak.

Jelikož je předem známo, že registrovaná funkce je za všech okolností spojitá zprava i zleva ve všech bodech sledovaného intervalu, je možné tuto vlastnost využít < i obráceně a nespojitost prvého druhu, k níž při překročení základního rozsahu konverze dochází, použít jako informativní pro přičtení nebo odečtení nejvyšších bitů v definitivním, tj. v rekonstruovaném” slově.

Je zřejmé, že těchto bitů může být i více při opakování nespojitostí prvého druhu, nebot z nespojitostí lze podle předchozího průběhu zprůměrňované funkce vždy snadno rozpoznat směr skoku funkce a tudíž rozpoznat, zda nejvyšší bit je třeba k výsledku přičíst nebo od něj odečíst. Integrální převodník typu, který vyhovuje uvedeným vlastnostem analogo-digitální konverze, je tvořen vysokofrekvenčním frekvenčně modulova.telným oscilátorem, jehož frekvence je čítána v intervalech, daných oscilátorem hodinového kmitočtu.

Pro zajištění potřebného dynamického rozsahu a hlavně proto, že o signálu se musí předpokládat, že se může měnit od klidové hodnoty v obou směrech, nebot není známo, v jaké fázi dechu měření započne, je použít oscilátor s frekvencí mnohem vyšší než odpovídá kapacitě čítače periodicky nulovaného hodinovým oscilátorem. V tomto případě vždy během periody hodinového kmitočtu dojde k mnohanásobnému přeplnění kapacity čítače a jako výsledné binární slovo je převzat poslední zbylý obsah Čítače .

Tento zbytek udává hodnotu typickou pro příslušný vzorek. Počet všech rozsahů čítance naplněných během intervalu hodin nemusí být ani znám, protože je u všech vzorků odečten ve stejné míře a eventuálně, není-li odečten, tak se to projeví uvedenou nespojistostí a skokem do dalšího rozsahu převodníku.

Tento způsob má řadu výhod, nebot na absolutní hodnotě frekvence oscilátoru převodníku nezáleží a není ji nutno nastavovat ani sledovat. Dále frekvenční modulace vstupním signálem nastává v důsledku relativně vysokého kmitočtu frekvenčně modulovaného oscilátoru, např. 5 MHz, ve velmi nepatrném rozsahu vzhledem k základnímu kmitočtu, takže je snadné dosáhnout lineární závislostí mezi vstupním napětím a výstupním číslem.

Další výhodou je, že signál není třeba převádět na absolutní hodnotu, jak je nutno u obvyklých analogo-dígitálních převodníků, využívajících frekvenčně modulované oscilátory. Výsledkem je, že signál se vždy, bez ohledu na dynamický rozsah, nachází v předem stanoveném rozsahu převodníku a zavedené nespojitostí prvého druhu stačí k jeho úplné zpětné rekonstrukcí, a to bud okamžitě v zařízení pro získání signálu tak, aby po zpětné digitálne-analogové konverzi mohl být signál indikován běžnými prostředky, např. grafickým zapisovačem nebo později programovými prostředky, je-li předávání prováděno v číslicové formě do paměti počítače.

V praxi je vhodné používat oba způsoby, přičemž okamžitá rekonstrukce podle diference sousedních vzorků slouží jen jako informativní o průběhu pokusu, a programově zajištěná rekonstrukce slouží k analýze signálu.

Další výhodou vynálezu je, že snímač dýchacích pohybů je řešen tak, aby při jeho aplikaci nezáleželo na tlaku nebo tahu, jímž je připevněn na měřící místo a aby jeho aplikace nevyžadovala zvláštní opatření, event. doplňková měření, která by zdržovala pokus. Podle dosavadních zkušeností nelze snímač těchto vlastností konstruovat na základě mechanických čidel, a proto byl použit nový typ kapacitního snímače, tvořeného dvěma paralelními vodiči, ovinutými v jedné smyčce okolo hrudníku v místě, kde má být dýchací pohyb sledován.

Snímač reaguje na změnu dielektrika, kterým je v tomto případě tkáň, nacházející se v prostoru mezi oběma vodiči. Změny kapacity pak jsou působeny větší nebo menší přítomností dýchaného plynu, jakož i změnou geometrie prostoru mezi vodiči. Protože vzdálenost vodičů musí být během měření konstantní, může být z praktických důvodů u ověřovacího vzoru použita standardní televizní dvojlinka, která splňuje velmi dobře požadavek konstantní vzdálenosti vodičů. Změna kapacity mezi paralelními vodiči je přímo převedena na frekvenci oscilátoru převodníku.

Další výhodou vynálezu je, že převádí signál sejmutý pomocí kapacitního snímače v Číslicové formě do sériového kódu a zavádí ho komunikačním vedením do výpočetního zařízení.

Podstatou zařízení pro číslicovou registraci dýchacích pohybů je, že signální výstup kapacitního snímače dýchacích pohybů je připojen ke vstupu pro ladění kmitočtu frekvenčně modulovaného impulsního oscilátoru, jehož impulsní výstup je připojen k hlavnímu vstupu binárního čítače. Výstup tohoto čítače je připojen k hlavnímu vstupu zpožďovací paměti, jejíž signální výstup je spojen s prvním vstupem vyrovnávací paměti. Vedlejší výstup zpožďovací paměti, který přenáší jen dva nejvyšší bity obsahu této paměti, je zaveden do obvodu pro rekonstrukci signálního slova, jehož výstup ovládá vstup vratného čítače.

Výstup vratného čítače je zapojen ke druhému vstupu vyrovnávací paměti, v níž je tímto způsobem obnoveno celé binární slovo, odpovídající měřenému signálu. Výstup vyrovnávací paměti je spojen se vstupem digitálně-analogového převodníku, jehož výstup je spojen se vstupem indikátoru signálu, tvořeného např. oscilografem nebo grafickým zapisovačem.

Třetí výstup zpožďovací paměti je připojen k hlavnímu vstupu par alelně-sér iového převodníku signálu, na jehož druhý vstup pro sériový přenos je připojen pomocný oscilátor přenosového kmitočtu. Impulsní výstup paralelně-sériového převodníku je spojen se vstupem obvodu pro impedanční přizpůsobení, jehož výstup je zapojen k vedení pro komunikaci s výpočetním zařízením. Signální výstup generátoru hodinového kmitočtu je připojen k nulovacímu vstupu binárního čítače a časovacím vstupům zpožďovací paměti a vyrovnávací paměti.

Podstata vynálezu je v dalším vysvětlena na příkladu jeho provedení, které je popsáno pomocí připojeného výkresu, na němž je znázorněno blokové schéma zařízení pro snímání a číslicovou registraci dýchacích pohybů.

Signální výstup kapacitního snímače dýchacích pohybů je připojen ke vstupu pro kapacitní ladění kmitočtu frekvenčně modulovaného impulsního oscilátoru 2^, jehož impulsní výstup je připojen k signálovému vstupu binárního čítače 3^. K výstupu binárního čítače 3^ je připojen hlavní vstup zpožďovací paměti 4^ jejíž signální výstup je spojen se signálovým vstupem vyrovnávací paměti 5_, zatímco vedlejší výstup zpožďovací paměti 4 je připojen ke vstupu obvodu 7_ pro rekonstrukci signálního slova, jehož výstup je přiveden na vstup vratného čítače 8_.

Výstup vratného čítače 8^ je zapojen k rekonstrukčnímu vstupu vyrovnávací parně204847 ti Výstup vyrovnávací paměti 5_ je spojen se vstupem digitálně-analogového převodníku 6^ jehož výstup je spojen se vstupem indikátoru 12 signálu. Komunikační třetí výstup zpož3Fovací paměti _4 je připojen ke hlavnímu vstupu paralelně-sériového převodníku 2. signálu, na jehož vedlejší vstup je svým výstupem připojen pomocný oscilátor 11 přenosového kmitočtu.

Impulsní výstup paralelně-sériového převodníku £ signálu je spojen se vstupem obvodu 10 pro impedanční přizpůsobení, jehož výstup je spojen se vstupem komunikačního vedení 13 k výpočetnímu žařízení. Signální výstup generátoru 14 hodinového kmitočtu je připojen jak k nulovacímu vstupu binárního Čítače 3, tak k časovacímu vstupu zpoždovací pamětí a k časovacímu vstupu vyrovnávací pamětí 5_.

Zařízení zapojené podle vynálezu funguje takto: Kapacitní snímač £ tvořený dvěma paralelními vodiči, umístěnými v konstantní vzdálenosti od sebe, např. 8 mm, mění svou kapacitu podle dielektrických vlastností tkáně hrudníku, kolem něhož je obtočen. Kapacitní snímač £ je svým výstupem připojen ke vstupu pro kapacitní ladění kmitočtu frekvenčně modulovaného impulsního oscilátoru 2, který pracuje v oblasti kmitočtů například 3 až 5 MHz; jeho impulsní výstup je připojen ke vstupu binárního, čítače 3^.

Tento binární čítač 3_ vytváří čítáním impulsů během intervalu daného hodinovým kmitočtem osmibitové slovo, representující momentální kapacitu kapacitního snímače J_. Výstup čítače 3 je připojen ke hlavnímu vstupu zpoždovací paměti 4^, jejíž funkcí je zpozdit signál o jednu periodu hodinového kmitočtu. Toto zpoždění je nutné pro činnost obvodu 7_ pro rekonstrukcí binárního slova. Signální výstup paměti £ je dále spojen se signálovým vstupem vyrovnávací paměti 5, v níž je výsledek rekonstrukce daný obsahem vratného čítače 8. přičten k obsahu zpoždovací paměti b_.

Vedlejší výstup zpoždovací paměti 4_ je připojen ke vstupu obvodu 7_ pro rekonstrukci signálního slova, jehož výstup, obsahující jak povel pro čítání vratného čítače 8_, tak povel pro směr čítání odvozený

Claims (1)

1. Zařízení pro snímání a číslicovou registraci dýchacích pohybů obsahující přístroj pro indikaci dýchacích pohybů a komunikační vedení k výpočtovému zařízení vyznačené tím, že signální výstup kapacitního snímače /1/ dýchacích pohybů je připojen ke vstupu frekvenčně modulovaného impulsního oscilátoru /2/, jehož impulsní výstup je připojen k hlavnímu vstupu binárního čítače /3/, k jehož výstupu je připojen hlavní vstup zpoždovací paměti /4/, jejíž signální výstup je spojen se signálovým vstupem vyrovnávací paměti /5/, zatímco vedlejší výstup zpoždovací pamětí /4/ je připojen ke vstupu obvodu /7/ pro rekonstrukci signálního slova, jehož výstup je propojen na vstup vratného čítače /8/, který je svým výstupem spojen s rekonstrukčním vstupem vyrovnávací paměti /5/, jejíž výz nespojitostí snímaného signálu za podmínky, Že rozdíl mezi sousedními vzorky signálu daného výstupem čítače 3 je kvantitativně větší, než odpovídá současné změně dvou nejvyšších bitů, je připojen ke vstupu vratného čítače 8^.

   Výstup vratného čítače obsahující zbytek binárního slova, je připojen k rekonstrukčnímu vstupu vyrovnávací paměti 5. Výstup vyrovnávací paměti 2 J^e dále spojen se vstupem digitálně-analogového převodníku 6_, jehož výstup - analogové napětí úrovně několika voltů - je zaveden na vstup indikátoru 12 signálu. Indikátorem je např. oscilograf pomalých dějů nebo grafický zapisovač .

   Komunikační výstup zpoždovací paměti 4 je připojen k hlavnímu vstupu paralelně-sériového převodníku 9. pro převod paralelních binárních slov do sériového kódu vhodného pro přenos do počítače; vedlejší vstup tohoto převodníku 9_ je připojen na výstup pomocného oscilátoru 11 přenosového kmitočtu vhodného pro přenos např. 10 kHz. Impulsní výstup paralelně-sériového převodníku 9. je spojen se vstupem obvodu 10 pro impedanční přizpůsobení, jehož výstup je spojen se vstupem komunikačního vedení 13, které spojuje zařízení pro registrací dýchacích pohybů s výpočetním zařízením pro analýzu signálu.

   Generátor 14 hodinového kmitočtu synchronizuje jak nulování binárního čítače 3_, tak převzetí jeho obsahu zpoždovací pamětí 4_ a vyrovnávací pamětí 5_.

   Výsledkem činností zařízení zapojení podle vynálezu je snímání a Číslicová registrace dýchacích pohybů, přičemž časová funkce, vyjadřující tyto pohyby, je indikována a předávána výpočetnímu zařízení bez zkreslení a v dostatečném dynamickém rozsahu a obsahuje všechny nízkofrekvenční složky, včetně stejnosměrné.

   Zařízení je řešeno tak, že měrnou část není třeba ani před započetím měření ani v jeho průběhu nastavovat, přičemž snímač dechových pohybů je volně připevněn k místu snímání bez tahového nebo tlakového předprúžení.

   Y N Á L E Z U stup je spojen se vstupem digitálně-analogového převodníku /6/, jehož výstup je připojen ke vstupu indikátoru /12/ signálu, přičemž komunikační výstup zpoždovací paměti /4/ je připojen ke hlavnímu vstupu par alelně-sériového převodníku /9/ signálu, na jehož vedlejší vstup je svým výstupem připojen pomocný oscilátor přenosového kmitočtu /11/, impulsní výstup paralelně-sériového převodníku /9/ signálu je spojen se vstupem obvodu /10/ pro impedanční přizpůsobení, jehož výstup je spojen se vstupem komunikačního vedení /13/ k počítači, přičemž signální výstup generátoru /14/ hodinového kmitočtu je připojen k nulovacímu vstupu binárního čítače /3/ a k synchronizačním vstupům zpoždovací paměti /4/ a vyrovnávací paměti /5/.