RU2118119C1

RU2118119C1 - Pulse frequency measuring device

Info

Publication number: RU2118119C1
Application number: RU94016331A
Authority: RU
Inventors: Н.А. Ус
Original assignee: Воронежское высшее военное авиационное инженерное училище
Priority date: 1994-04-27
Filing date: 1994-04-27
Publication date: 1998-08-27
Also published as: RU94016331A

Abstract

FIELD: medical practice. SUBSTANCE: device has optoelectronic transducer using infrared radiator, first and second amplifiers, low-pass filter, Schmidt trigger, measuring pulse generator, electronic switch, AND-NOT gate, frequency counter, indicator and start button. In addition, device has automatic gain control circuit, storage register and control command former. EFFECT: higher accuracy of measured parameter reading. 3 dwg

Description

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано в медицинской практике для диагностики частоты пульса пациента. The invention relates to medicine and can be used in medical practice to diagnose a patient’s pulse rate.

Для контроля и измерения частоты пульса предложено множество способов, большинство из которых основаны на регистрации биопотенциалов сердца или перемещения стенок сосудов (артерий, вен). Many methods have been proposed for monitoring and measuring heart rate, most of which are based on recording the biopotentials of the heart or moving the walls of blood vessels (arteries, veins).

Известно устройство [1], реализующее измерение частоты пульса, выходным сигналом которого служат биопотенциалы сердца, снимаемые с помощью чашечных электродов. Они закрепляются на левой стороне груди человека так, чтобы R-зубец ЭКГ имел максимальную амплитуду, а все другие биопотенциалы - минимальную. Сигнал от датчиков усиливается биоусилителем с регулируемым коэффициентом усиления до уровня, достаточного для работы порогового устройства - триггера Шмитта. Для повышения помехозащищенности измерительной схемы включен ждущий мультивибратор, сигнал которого и является счетным. Параметры этого сигнала постоянны, а частота следования определяется частотой пульса. Дальнейшая схема обработки является обычной схемой счетчика частоты. A device [1] is known that implements a measurement of the pulse rate, the output signal of which is the biopotentials of the heart, taken using cup electrodes. They are fixed on the left side of the human chest so that the R-wave of the ECG has a maximum amplitude, and all other biopotentials are minimal. The signal from the sensors is amplified by a bio-amplifier with an adjustable gain to a level sufficient for the operation of a threshold device - Schmitt trigger. To increase the noise immunity of the measuring circuit, a standby multivibrator is included, the signal of which is countable. The parameters of this signal are constant, and the repetition rate is determined by the pulse rate. A further processing circuit is a conventional frequency counter circuit.

Недостатком устройства является необходимость ручной регулировки коэффициента усиления биоусилителя, так как значение R-зубца ЭКГ в процессе измерения может изменяться: увеличиваться или уменьшаться. The disadvantage of this device is the need for manual adjustment of the gain of the bio-amplifier, since the value of the R-wave of the ECG during the measurement process can change: increase or decrease.

Наиболее близким по сути к заявляемому устройству является устройство измерителя пульса [2], основу которого составляет оптоэлектронный преобразователь, состоящий из ИК-светодиода и фотодиода. Данное устройство содержит следующие элементы: оптоэлектронный преобразователь, два усилителя, фильтр низкой частоты, триггер Шмидта, дифференцирующую RC-цепь, три ждущих одновибратора, две логические схемы И-НЕ, генератор измерительной частоты, два RS-триггера, электронный ключ, счетчик частоты, индикатор, две кнопки управления (фиг. 3). The closest to the claimed device is the device of the pulse meter [2], the basis of which is an optoelectronic converter, consisting of an infrared LED and a photodiode. This device contains the following elements: an optoelectronic converter, two amplifiers, a low-pass filter, a Schmidt trigger, a differentiating RC circuit, three standby single vibrators, two NAND logic circuits, a measuring frequency generator, two RS triggers, an electronic key, a frequency counter, indicator, two control buttons (Fig. 3).

Устройство работает следующим образом. При включении питания схемы ИК-светодиод начинает излучать сигнал, который частично отражается от пальца, если последний приложен к оптоэлектронному преобразователю E1. Этот сигнал улавливается фотодиодом и усиливается первым усилителем A1. Далее, пройдя через фильтр низких частот Z1, сигнал поступает на вход второго усилителя A2, на выходе которого его амплитуда достигает значения, достаточного для работы схемы триггера Шмитта D1. Формируемые прямоугольные импульсы, соответствующие ударам пульса, проходят через дифференцирующую RC-цепь и запускают ждущий одновибратор D2. Одновибратор D2 выполняет две функции: блокирует триггер D1 и запускает схему цифрового пересчета, если предварительно была нажата кнопка SB1 - "счет". Блокирование триггера D1 делает считывание сигналов пульса более надежным, так как часть периода следования ударов пульса триггер D1 закрыт. Выходной импульс блока D2 в режиме "счет" через схему совпадения D3 запускает два других одновибратора D4 и D5. Одновибратор D4 задает время измерения импульса, а другой одновибратор D5 вырабатывает сигналы фиксированной длительности, осуществляющие пересчет. В результате подачи сигналов одновибратора D5 и генератора G1 на вход схемы совпадения D7, на ее выходе формируются пачки импульсов, определяющие коэффициент пересчета. Например, если в одном импульсе счета присутствуют 5 импульсов от генератора G1, то осуществляется режим умножения на 5. Это позволяет сократить полное время счета частоты пульса до нескольких секунд. Эти пачки импульсов поступают на вход счетчика частоты D8 и по окончании времени измерения, определяемого одновибратором D4, на счетчике фиксируется число, равное количеству ударов пульса в минуту. По окончании счета триггер D6 переходит в нулевое состояние и запрещает прохождение импульсов через схему совпадения D3. Одновременно с помощью триггера D9 открывается ключ K1 и загорается индикаторное табло HL1. Для повторения цикла измерения следует нажать кнопку SB2 - "сброс". В итоге гасится табло HL1, очищается счетчик D8. The device operates as follows. When the power is turned on, the IR LED starts emitting a signal that partially reflects from the finger, if the latter is applied to the E1 optoelectronic converter. This signal is captured by the photodiode and amplified by the first amplifier A1. Then, passing through the low-pass filter Z1, the signal is fed to the input of the second amplifier A2, at the output of which its amplitude reaches a value sufficient for the Schmitt trigger circuit D1 to work. The generated rectangular pulses corresponding to the pulse beats pass through the differentiating RC circuit and start the standby single-shot D2. The one-shot D2 performs two functions: it blocks the trigger D1 and starts the digital recalculation circuit if the SB1 - “count” button has been previously pressed. Blocking trigger D1 makes reading heart rate signals more reliable, as part of the follow-up period of heartbeats trigger D1 is closed. The output pulse of the block D2 in the "counting" mode through the coincidence circuit D3 starts two other one-shots D4 and D5. The one-shot D4 sets the pulse measurement time, and the other one-shot D5 generates signals of a fixed duration, performing the conversion. As a result of the supply of signals from the single-vibrator D5 and the generator G1 to the input of the coincidence circuit D7, pulse packets are formed at its output that determine the conversion factor. For example, if 5 pulses from the G1 generator are present in one pulse of the count, then the multiplication mode is carried out by 5. This allows you to reduce the total time of counting the pulse frequency to several seconds. These bursts of pulses arrive at the input of the frequency counter D8 and, at the end of the measurement time determined by the single-shot D4, a number equal to the number of pulse beats per minute is fixed on the counter. At the end of the count, trigger D6 goes to zero and prohibits the passage of pulses through the coincidence circuit D3. At the same time, using the trigger D9, the key K1 is opened and the indicator board HL1 lights up. To repeat the measurement cycle, press the SB2 - “reset” button. As a result, the HL1 display goes blank, the D8 counter clears.

Недостатком данного устройства является невысокая точность отсчета измеряемого параметра. Это связано с выбором компромисса между временем и точностью измерения частоты пульса. В устройстве осуществляется подсчет импульсов за определенный период времени (как правило не превышающий несколько секунд) с последующим осреднением за одну минуту. Другим недостатком устройства является его сильная зависимость от условий проведения измерений. При неудачном контакте пальца с оптоэлектронным преобразователем возможна нехватка усиления в схемах A1 и A2. При значительном увеличении коэффициента усиления в схемах A1 и A2 возможны ложные срабатывания из-за помех. В итоге устройство позволяет осуществлять измерение частоты пульса только лишь в 80 - 90% случаев. The disadvantage of this device is the low accuracy of the measured parameter. This is due to the choice of a compromise between time and accuracy in measuring heart rate. The device counts pulses for a certain period of time (usually not exceeding a few seconds), followed by averaging over one minute. Another disadvantage of the device is its strong dependence on the measurement conditions. If the finger does not contact the optoelectronic converter, there may be a lack of amplification in circuits A1 and A2. With a significant increase in gain in schemes A1 and A2, false alarms are possible due to interference. As a result, the device allows you to measure heart rate only in 80 - 90% of cases.

Предлагаемое устройство для измерения частоты пульса содержит следующие элементы: оптоэлектронный преобразователь, два усилителя, фильтр низкой частоты, схему автоматической регулировки усиления (АРУ), триггер Шмитта, генератор измерительных импульсов, электронный ключ, логическую схему И-НЕ, формирователь команд управления, счетчик частоты, регистр памяти, индикатор и кнопку пуска. The proposed device for measuring the heart rate contains the following elements: an optoelectronic converter, two amplifiers, a low-pass filter, an automatic gain control circuit (AGC), a Schmitt trigger, a measuring pulse generator, an electronic key, an AND-NOT logic circuit, a control command generator, a frequency counter , memory register, indicator and start button.

Общим для выбранного заявителем прототипа и предлагаемого устройства является наличие в них оптоэлектронного преобразователя, первого и второго усилителей, фильтра низких частот, триггера Шмитта, генератора измерительных импульсов, электронного ключа, логической схемы И-НЕ, счетчика частоты, индикатора и кнопки пуска. The prototype and the proposed device that is common to the applicant chosen is the presence of an optoelectronic converter, first and second amplifiers, a low-pass filter, a Schmitt trigger, a measuring pulse generator, an electronic key, an NAND circuit, a frequency counter, an indicator, and a start button.

Отличительные от прототипа признаки следующие:
- схема автоматической регулировки усиления,
- регистр памяти,
- формирователь команд управления,
а также связи между указанными устройствами, приведенные в формуле изобретения.Distinguishing features from the prototype are the following:
- scheme for automatic gain control,
- memory register,
- shaper management teams,
as well as the relationship between these devices, given in the claims.

Существенное значение имеет введение в схему формирователя импульсной последовательности на основе оптоэлектронного преобразователя, первого и второго усилителей с фильтром низкой частоты, а также триггера Шмитта и схемы автоматической регулировки усиления второго усилителя. Это позволяет жестко стабилизировать амплитуду импульсных сигналов ударов пульса, что очень важно при измерении длительности импульса. В этом случае обеспечивается измерительная база для сравнения длительности импульсов различных пульсов. Существенным является условие работы формирователя команд управления. После запуска схемы при замыкании кнопки SB1 одновременно включаются ИК-излучатель оптоэлектронного преобразователя и электронный ключ. Именно импульсная последовательность ударов пульса, поступая на формирователь команд управления, синхронизирует режим работы всего устройства. The introduction of a pulse train based on an optoelectronic converter, the first and second amplifiers with a low-pass filter, as well as the Schmitt trigger and the automatic gain control circuit of the second amplifier is essential. This allows you to rigidly stabilize the amplitude of the pulse signals of the pulse beats, which is very important when measuring the pulse duration. In this case, a measurement base is provided for comparing the pulse durations of various pulses. The working condition of the control command generator is essential. After starting the circuit, when the SB1 button is closed, the IR emitter of the optoelectronic converter and the electronic key are simultaneously turned on. It is the pulse sequence of pulse beats that arrives at the control command generator that synchronizes the operation mode of the entire device.

Предлагаемое устройство для измерения частоты пульса показано на чертеже, фиг. 1. The proposed device for measuring the pulse rate is shown in the drawing, FIG. one.

Оно содержит оптоэлектронный преобразователь 1, выход которого соединен с входом первого усилителя 2. Выход первого усилителя 2 соединен со входом фильтра низких частот 3, выход которого подключен на первый вход второго усилителя 4. Выход последнего соединен со входом схемы АРУ 5 и входом триггера Шмитта 6. Выход схемы АРУ 5 подключен ко второму входу второго усилителя 4. Выход триггера Шмитта 6 соединен с первым входом ключевой логической схемы И-НЕ 10 и первым входом электронного ключа 7. Выход электронного ключа 7 соединен с первым входом формирователя команд управления 8, а его первый выход подключен ко второму входу электронного ключа 7. Второй, третий и четвертый выходы формирователя команд управления 8 соединены соответственно со вторым входом логической схемы И-НЕ 10, вторым входом регистра памяти 12 и вторым входом счетчика частоты 11, а пятый выход - подключен на вход оптоэлектронного преобразователя 1. Выход генератора измерительных импульсов 9 соединен с третьим входом логической схемы И-НЕ 10, а ее выход - с первым входом счетчика частоты 11. Выход счетчика частоты 11 соединен с первым входом регистра памяти 12, а его выход подключен к индикатору 13. Кнопка пуска SB1 соединена со вторым и третьим входами формирователя команд управления 8. It contains an optoelectronic converter 1, the output of which is connected to the input of the first amplifier 2. The output of the first amplifier 2 is connected to the input of a low-pass filter 3, the output of which is connected to the first input of the second amplifier 4. The output of the latter is connected to the input of the AGC circuit 5 and the input of the Schmitt trigger 6 The output of the AGC circuit 5 is connected to the second input of the second amplifier 4. The output of the Schmitt trigger 6 is connected to the first input of the AND-10 key logic circuit and the first input of the electronic key 7. The output of the electronic key 7 is connected to the first input of the of the control instruction 8, and its first output is connected to the second input of the electronic key 7. The second, third and fourth outputs of the control command generator 8 are connected respectively to the second input of the AND-NOT logic 10, the second input of the memory register 12 and the second input of the frequency counter 11 and the fifth output is connected to the input of the optoelectronic converter 1. The output of the measuring pulse generator 9 is connected to the third input of the AND-NOT 10 logic circuit, and its output is connected to the first input of the frequency counter 11. The output of the frequency counter 11 is connected to the first input of the memory register 12, and its output is connected to the indicator 13. The start button SB1 is connected to the second and third inputs of the control command generator 8.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии схема обнулена и со второго выхода формирователя команд управления 8 на второй вход схемы И-НЕ 10 приложен потенциал уровня логического нуля, что определяет закрытое состояние логической схемы И-НЕ 10, ИК-излучатель оптоэлектронного преобразователя 1 не работает. При нажатии кнопки SB1 формирователь команд управления 8 переводит в активный режим ИК-излучатель оптоэлектронного преобразователя 1, создавая потенциал уровня логической единицы на его входе (см. временные диаграммы, фиг. 2б). Одновременно на выходах первом и втором формирователя команд управления 8 присутствуют потенциалы уровня логической единицы, что открывает электронный ключ 7 и переводит в активный режим схему И-НЕ 10. При установке оптоэлектронного преобразователя 1, например, в области аорты, т.е. при контроле центрального артериального пульса, появятся импульсы фототока, которые, пройдя две ступени усиления (усилители 2 и 4) и фильтр низкой частоты 3, за счет схемы АРУ 5 достигнут определенного уровня. Усиленный импульсный сигнал фиксированного уровня, проходя через триггер Шмитта 6, приобретает необходимую крутизну фронтов для уверенной работы цифровой части устройства (фиг. 2а). Импульсная последовательность, проходя через электронный ключ 7, является опорной серией для работы формирователя команд управления 8. Одновременно импульсная последовательность ударов пульса поступает на первый вход схемы И-НЕ 10, куда поступают сигналы от генератора измерительных импульсов 9 (фиг. 2в). В моменты совпадения уровней логических единиц на входах логической схемы И-НЕ 10 на ее выходе будут присутствовать пачки импульсов с частотой измерительного генератора 9, которые обрабатываются счетчиком частоты 11 (фиг. 2г). Число импульсов, которое поступает на вход счетчика 11, пропорционально длительности центрального артериального пульса. Для соответствующей градуировки измеряемого параметра процесс измерения ограничивается во времени, которое определяется количеством ударов пульса. Например, после прохождения трех ударов пульса формирователь команд управления 8 заканчивает процесс измерения. На его первом, втором и пятом выходах создаются потенциалы уровня логического нуля. На третьем выходе формируется короткий импульс (фиг. 2д), разрешающий считывание/индикацию содержимого счетчика 11. На индикаторе 13 появляется величина измеренной частоты пульса. При повторном нажатии кнопки SB1 формирователь команд управления 8 на четвертом и третьем выходах создает короткие импульсы для обнуления счетчика 11 и регистра памяти 12. Устройство переходит в исходное состояние и готово к повторному измерению. The device operates as follows. In the initial state, the circuit is reset and from the second output of the control command generator 8 to the second input of the NAND 10 circuit, a logic zero level potential is applied, which determines the closed state of the NAND 10 logic circuit, the IR emitter of the optoelectronic converter 1 does not work. When the SB1 button is pressed, the control command generator 8 puts the infrared emitter of the optoelectronic converter 1 into active mode, creating the potential of the level of the logical unit at its input (see time diagrams, Fig. 2b). At the same time, at the outputs of the first and second control command generator 8, there are potentials of the logical unit level, which opens the electronic key 7 and puts the NAND circuit 10 into active mode. When installing the optoelectronic converter 1, for example, in the aortic region, i.e. when monitoring the central arterial pulse, photocurrent pulses will appear, which, after passing through two stages of amplification (amplifiers 2 and 4) and a low-pass filter 3, due to the AGC circuit 5, will reach a certain level. An amplified pulse signal of a fixed level, passing through a Schmitt trigger 6, acquires the necessary steepness of the fronts for the reliable operation of the digital part of the device (Fig. 2a). The pulse sequence, passing through the electronic key 7, is the reference series for the operation of the control command generator 8. At the same time, the pulse sequence of the pulse beats arrives at the first input of the NAND 10 circuit, where the signals from the measuring pulse generator 9 are received (Fig. 2c). At the moments of coincidence of the levels of logical units at the inputs of the AND-NOT 10 logic circuit, at its output there will be bursts of pulses with the frequency of the measuring generator 9, which are processed by the frequency counter 11 (Fig. 2d). The number of pulses that enter the input of the counter 11 is proportional to the duration of the central arterial pulse. For appropriate calibration of the measured parameter, the measurement process is limited in time, which is determined by the number of beats of the pulse. For example, after passing three beats of the pulse, the control command generator 8 finishes the measurement process. At its first, second and fifth outputs, potentials of the logical zero level are created. A short pulse is generated at the third output (Fig. 2e), which allows reading / displaying the contents of the counter 11. The measured heart rate value appears on indicator 13. When the SB1 button is pressed again, the control command generator 8 at the fourth and third outputs creates short pulses to reset the counter 11 and the memory register 12. The device returns to its initial state and is ready for re-measurement.

Заявляемое устройство может быть реализовано на доступной элементной базе, отличается простотой управления и надежностью измерения контролируемого параметра. The inventive device can be implemented on an accessible elemental base, is characterized by ease of control and reliability of measurement of the controlled parameter.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания:
1. А.с. СССР N 216903. Портативный пульсоинтенсиметр.Sources of information taken into account when compiling the description:
1. A.S. USSR N 216903. Portable pulse intensimeter.

2. Ефремов В. Н. Нискевич М.И. Измеритель пульса / В помощь радиолюбителю: Сборник. Вып. 90 // Сост. Н.Ф. Назаров. - М.: ДОСААФ, 1985. - С. 27, 29; рис. 1. 2. Efremov V. N. Niskevich M.I. Pulse Meter / To help the ham radio: Collection. Vol. 90 // Comp. N.F. Nazarov. - M .: DOSAAF, 1985 .-- S. 27, 29; fig. one.

Claims

\\\ 1 Device for measuring heart rate, containing an optoelectronic converter, first and second amplifiers, low-pass filter, Schmitt trigger, measuring pulse generator, electronic key, AND circuitry - NOT, frequency counter, indicator and start button, and the optoelectronic output the converter is connected to the input of the first amplifier, and its output is connected to the input of a low-pass filter, the output of which is connected to the first input of the second amplifier, the output of the second amplifier is connected to the input of the Schmitt trigger, the output of the generator is measured pulse is connected to the third input of the AND - NOT logic circuit, the output of which is connected to the first input of the frequency counter, characterized in that it further comprises an automatic gain control circuit, a memory register and a control command generator, while the input of the automatic gain control circuit is connected to the output the second amplifier, and its output is connected to the second input of the second amplifier, the output of the Schmitt trigger is connected to the first input of the AND - NOT logic circuit and the first input of the electronic key, the output of which it is connected to the first input of the control command generator, the first and second outputs of the latter are connected respectively to the second input of the electronic key and the second input of the logic circuit AND are NOT, the output of the frequency counter is connected to the first input of the memory register, the output of which is connected to the indicator, the third, fourth and fifth the outputs of the shaper control commands are connected respectively to the second input of the memory register, to the second input of the frequency counter and the input of the optoelectronic converter, and to the second and third inputs of the shaper control commands connected start button.