SU1319823A1 - Устройство дл определени собственных параметров резонирующих тел - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к медицинской технике. Цель изобретени  - сокращение времени и повьшение точности измерени  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, пер- вьш и второй ключи, первый и второй пиковые детекторы, инвертор, второй формирователь импульсов, второй коммутатор , третий ключ, блок сравне- .ни . Применение одного сканирующего генератора при наличии нескольких приемников колебаний позвол ет проводить одновременное измерение собственных параметров нескольких мьппц. 2 3.п. ф-лы, 3 ил. (Л ; :о Фаг. г

Description

113

Изобретение относитс  к контрольно-измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  собственных параметров резонирующих тел в частности в медицинской технике дл  диагностики мьшечного аппарата пациента .

Целью изобретени   вл етс  сокращение времени и повышение точности измерени  параметров

На фиг. 1 представлена функциональна  сЗсема устройства; на фиг.2 - схема сканирующего генератора; на фиг. 3 - функциональна  схема блока фиксации максимума резонансной кривой (БФМ); на фиг, 4 - амплитудно-частотна  характеристика резонирующего тела при возбуждении его сигналом от сканирующего генератора; на фиг. 5

временные диаграммы работы блока БФМ; 20 де приемника колебаний гарантированна фиг. 6 - схема второго коммутатора; да фиг. 7 - функциональна  схема вычислительного блока.

Устройство дл  определени  собственных параметров резонирующих тел содержит сканирующий генератор 1 , состо щий из интегратора 2 и управл емого генератора 3, приемник 4 колебаний , усилитель 5, блок 6 фиксации максимума резонансной кривой (БФМ), первую линию 7 задержки, первый коммутатор 8, вычислительный бло 9, осуществл ющий вычисление значени  частоты колебаний по периоду и добротности резонирующего тела, блок 10 индикаторов частоты и добротное-, ти 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 ср авнени ..

Вычислительньй блок (фиг. 7) содержит измеритель 25 частоты по периоду , счетчик 26, сдвиговый регистр 27, второй триггер 28, реверсивный счетчик 29, перемножитель 30, блок 31 масштабировани , делитель 32 частоты , вторую 33 и третью 34 линии задержки.

Принцип работы устройства дл  оп- ределени  собственных параметров резонирующих тел заключаетс  в следующем .

Известно, чт.о об упругов зких свойствах мьщ1цы.несут информацию такие ее параметры, как собственна  частота колебаний мышцы со и добротность Q (величина, обратно пропорциональна  декременту затухани  колебаний ) , которые могут быть измерены при возбуждении в мышце как в резонирующем теле, собственных колебаний. Сканирующий генератор с измен ющейс  по линейному закону частотой выходного напр жени  через возбудитель колебаний осуществл ет возбуждение колебаний резонирующего тела (). 5 Если диапазон сканировани  генератора перекрьгаает диапазон значений частот, в котором могут находитьс  значени  частот собственных колебаний мьщ1цы, то в этом случае на выхо

но возникает сигнал, огибающа  которого соответствует резонансному пику амплитудочастотной характеристики (АЧХ) резонатора, по которому можно определить значение собственной частоты колебаний и добротность. При очень малой скорости изменени  частоты сканировани  можно получить на выходе приемника колебаний статическую АЧХ резонирующего тела, однако такой режим малоприемлем из-за больного времени, требуемого дл  прохождени  всего частотного диапазона. Поэтому имеет смысл осуществл ть быстрое сканирование той области частотной характеристики резонирующего тела, в которой находитс  резонансный пик. При быстром изменении частотно-модулированного сигнала сканирующего генератора на выходе приемника колебаний по вл етс  динамическа  АЧХ резонатора, котора  может отличатьс  от статической АЧХ (статическа  АЧХ - это АЧХ, снимаема 

при бесконечно.малой скорости сканировани ) . Отличие про вл етс  в сме- положени  максимума АЧХ, по влении асимметричности. Резонансна  частота динамической и статической АЧХ резонирующего тела св - зайа следующей зависимостью:

,( - sb

(1)

где

9

U

Смещение положени  максимума АЧХ резонатора при возбуждении част от но-модули рованным сигналом

(динамическое возбуждение ) ;

S - величина, завис ща  от скорости изменени  частотно-модули- рованного сигнала Ti и собственных параметров резонатора. При изменении направлени  сканировани  возбуждающего сигнала при его посто нной скорости абсолютные значени  сдвигов резонансной кривой остаютс  прежними, а направлени  сдвигов относительно статического резонанса противоположными:

МАЙН, Ц:т(1 + 5) npH Xii-O; (1-8) при-Х О; / X,/ / Хг/.

Осредн   результат двух измерений при разных направлени х сканирова- ни , можно получить значение собственной частоты колебаний резонирующего тела

м СО Wo (-т 2

(2) 25

Дела  простые преобразовани , из выражени  (1) можно получить следую- :щую зависимость:

АЙН

)

(3)

т.е. вычисл   значени  и сОо в текущий момент времени и зна  фиксированное значение скорости сканиро- вани  ( А посто нна), можно вычислить добротность резонирующего тела Q. БФМ осздцествл ет фиксацию момента прохождени  максимума динамической АЧХ при возбуждении в мьшце коле баний, а вычислительный блок измер ет значение частоты сканирующего генератора , равное в зтот момент резонансной частоте мьшцы при динамическом возбуждении, и праизводит вычис- ление собственных параметров мьшщы п формулам (1)-(3).

Устройство дл  определени  собственных параметров резонирующих тел. работает следующим образом.

В первоначальный момент времени сканирующий генератор 1 со строго фиксированным значением скорости через возбудитель колебаний 11 начинает возбуждать резонирующее тело (мьшцу)..

15 общем случае сканирующий генег ратор 1, на который подаетс  сигнал с первого коммутатора 8, представл 

/О 15

0

5

30

,, Q

0

5

ет собой генератор 3, управл емый линейно измен ющимс  напр жением, поступающим , например, с интегратора 2. Принцип управлени : если к интегратору 2 подключено положительное напр жение, то напр жение управлени  с интегратора 2 линейно растет и частота частотно-модулированного сигнала со сканирующего генератора I также линейно растет. При отключении источника питани  от входа интегратора 2 напр жение управлени  начинает линейно уменьшатьс , направление сканировани  измен етс  на противопо- ложнсГё. Приемник 4 колебаний воспри- нимает колебани  резонирующего тела, которые через усилитель 5 поступают на вход 6. В области совпадени  измен емой частоты сканирующего генератора 1 и частоты собственных колебаний резонирующего тела наблюдаютс  резонансные  влени  (фиг. 4). БФМ 6 в момент прохождени  максимума динамического резонанса формирует 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 врем , задаваемое первой линией 7, первый оммутатор 8 переключает направление сканировани  генератора 1 .

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

Первьй коммутатор 8 в этом случае вьтолн ет роль ключа, поочеред- но подключающего к входу интегратора разные уровни напр жени . Врем  S выбираетс  в зависимости от скорости сканировани  и ширины резонансного пика таким образом, чтобы в область сканировани  попадал только участок АЧХ, непосредственно прилегающий к резонансному пику. Сканиру- ющий генератор 1 начинает изменение частотно-модулированного сигнала в обратную сторону. В момент достижени , максимума резонансной кривой в обратном направлении, БФМ 6 фиксирует момент прохождени  максимума и вырабатывает импульс, разрешающий измерение частоты сОдцд о„(5) в этот момент. Вычислительный блок 9 проводит измерение частоты tOj в этот момент времени, а также вычисление частоты Од и добротности по форму513

ам (1)-(3). После этого значени  Uo и -Q фиксируютс  блоком 10 индикаоров .

Принцип работы БФМ 6 заключаетс  в оценке амплитудных значений колебаний резонирующего тела и выработке сигнала в момент достижени  максимального значени  колебаний резонирующего тела, В этот момент частота сканирующего генератора 1 соответствует частоте колебаний резонирующего тела. Дл  фиксации момента прохождени  максимума проводитс  измерение амплитудных значений соседних полуволн колебаний резонирующего тела (фиг, 4).

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

В первоначальный момент времени напр жение на первом и -втором пиковых детекторах 18 и 19 равно нулю, Напр жение с выхода сканирующего генератора 1 через возбудитель 11 колебаний начинает возбуждать мышцу, и на выходе усилител  5 по вл етс  сигнал XI (фиг, 4), огибающа  которого соответствует динамической АЧХ резонатора. Первый формирователь 12 импульсов формирует последовательность однопол рных импульсов Х2 из синусоидального сигнала, поступающего с выхода сканирующего генератора 1, Первый триггер 13 обеспечивает попеременную подачу разрешающих импульсов на входы первого 14 и второго 15 элементов И. Дп  рассмотрени  работы БФМ 6 используем временные диаграммы (фиг, 5).

Цикл измерений БФМ 6 включает в себ  три такта,

Такт 1,Сигналом Х5, поступающим с выхода первого элемента И 14, открываетс  первый ключ 16, и на первом пиковом детекторе 18 запоминаетс  амплитудное значение напр жени  первой, полуволны и (, l)U(g (фиг, 5), Такт II, Сигналом Х7, поступающим с выхода инвертора 20, открыва-. етс  третий ключ 23, и на один из входов б11ока 24 сравнени  поступает напр жение с первого пикового детектора 18 U,(,l) и с второго пикового детектора 19 U,,0, причем при нахождении второго коммутатора 22 в первоначальном положении напр жение с первого пикового детектора 18 поступает на первый вход блока 24 сравнени , а напр жение с второго пикового детектора 19 - на второй

8236

вход блока 24 сравнени . Блоком 24 сравнени  может, служить компаратор, который вырабатывает импульсный сигнал , если напр жение на его первом

входе становитс  меньше напр жени  на втором входе, т.е.

Гив.,и,,,-и„,

K,, Ue«.--u,,,,i,

0 так как U(,l)0, то сигнала на выходе блока 24 сравнени  нет,Такт III. В конце второго такта второй формирователь 21 (коротких) импульсов формирует сигнал Х8, посту5 пающий на второй коммутатор 22 и коммутирующий выходы первого и второго . пиковых детекторов 18 и 19 с входами блока 24 сравнени  так, что в момент последующего открыти  тре0 тьего ключа 23 выход первого пикового детектора 18 оказываетс  соединенным с вторым входом блока 24 сравнени , а выход второго пикового детектора 19 - с первым входом блока

5 24 сравнени .

Импульсом Х6, поступающим с выхода второго элемента И 15, открываетс  второй ключ 17 и происходит запоминание амплитудного значени  вто0 рой полуволны (точка 2 на фиг. 4) на втором пиковом детекторе 19 и сравнение значений напр жений первого и второго пиковых детекторов 18 и 19 в момент открыти  третьего ключа 23 импульсом Х7. Поскольку в этом цикле измерений выход второго пикового детектора 19 скоммутирован с первым входом блока 24 сравнени , а выход пикового детектора 19 - с вторым . входом блока 24 сравнени  и b ,, U(.l); u,,Ue,,U(.2); U,,,U, то сигнала на выходе блока 24 сравнени  нет. Аналогичным образом, происходит сравнение амплитудных значений полуволн 2 и 3, 3 и 4 (фиг. 4). Блок 24 сравнени  формирует импульс останова Х9 в тот такт измерений, когда из двух сравниваемых амплитудных значений напр жений полуволн пре- 5Q дыдущее напр жение больше последующего , т.е, при ,,, где п - номер сравниваемых полуволн (XI). В рассматриваемом случае импульс останова Х9 формируетс  после сравнени  полу5

45

55 волн 8

9, Импульс останова Х9

используетс  дл  обнулени  первого 18 и второго 19 пиковых детекторов, переключени  направлени  сканировани  генератора 1, а также дл  опреде713

лени  частоты сканирующего генератора I в этот момент времени вычислительным блоком 9.. I

Вычислительный блок 9 (фиг. 7) работает следующим образом.

В момент прохождени  максимума резонансной кривой импульс от БФМ 6 запускает измеритель частоты по периоду 25, который измер ет частоту сигнала по его периоду в данный момент времени. Полученное значение частоты Один, + 8) записыт ваетс  в счетчик 26 и по положительному входу в реверсивньй счетчик 29. Ь момент обратного прохождени  максимума резонансной кривой в счетчик 26 добавл етс  значение частоты АЯН ) . Поскольку при этом второй триггер 28 перебрасываетс  в другое состо ние, то это же значение частоты записываетс  и в реверсивном счетчике 29, но уже по отрицательному входу. Таким образом, после двух прохождений максимума резонансной кривой в счетчике 26 записано число, равное («;,««,+ А«1ир а в реверсивном счетчике 29 - равное &o(). После этого импульсом с делител  32 частоты следовани  импульсов на два содержимое рчетчи- ка 26 записываетс  в сдвиговый регистр 27 и сдвигаетс  на один разр д вправо импульсом с делител  32 частоты (это операци  делени  содержимого счетчика 26 на два). Полученный после этого результат со поступает на блок 10 индикаторов и на блок, реализующий операцию умножени  двухцифровых кодов - перемножитель 30,, где проводитс  операци  умножени  содержимого реверсивного счетчика 29 на содержимое сдвигового регистра 27, т.е. (йСО-сОо)- Полученный при этом результат при известной и стабильной скорости сканировани /л ;пропорционален добротности исследуемого резонирующего тела. Зна  значение скорости сканировани  можно подобрать коэффициент преобразовани  К„ блока 31 масштабировани  таким образом, что на один из входов блока 10 индикаторов поступает значение цифрового кода в единицах добротности . Втора  и треть  линии 33 и ЗА задержки обеспечивают своевременную подготовку (обнуление) блоков 26, 27, 29, 30 к следующему циклу измерений.

238

Погрешность измерени  собственных параметров известного устройства определ етс  в основном аппаратурной реализацией измерител  частоты и может достигать 5%.

Погрешность измерени  предлагаемого устройства определ етс  выбранным режимом и состоит из систематической погрешности, обусловленной

смещением максимума динамической резонансной кривой от статической АЧХ резонатора; погрешности, обусловленной нестабильностью скорости сканировани ; погрешности за счет срабатывани  схемы БСМ не в момент по влени  полуволны колебани  резонирующего тела с максимальным значением амплитуды резонатора, а в момент прихода Следующей полуволны; погрешности пиковых детекторов 18, 19, блока 24 сравнени , которые про вл ютс  в неопределенности момента определени  максимума резонансной кривой; погрешности измерени  частоты нзмерител  25 вычислительного блока 9. I

При двукратном измерении (как в

предлагаемом устройстве) с последующим осреднением результата измерений составл ющие погрешности значи- тельно уменьшаютс  (перва  и треть  составл юш 1е исчезают, а втора  и четверта  значительно уменьшаютс ). Так, при скорости сканировани  J

1 Гц/с и нестабильности -- 1% сум-

марное значение погрешности дл  рассматриваемого класса резонирующих тел (мьшщы) составл ет 1-2,5%. Сравним соотношение мощностей,

требуемых дл  возбуждени  колебаний резонирующего тела с начальной амплитудой колебаний А при импульсном возбуждении (известное устройство) и при возбуждении сигналом определенной частоты (возбуждение частотно- модулированным сигналом).

Мощность, затрачиваема  на возбуждение колебаний при импульсном возбуждении, равна

р имп R

где значение напр жени  пр моугольного импульса, подава емого в обмотку возбуждени  (В) ;

R - сопротивление обмотки возбуждени  (Ом) .

9.13

При оптимальной длительности возбуждающего импульса ,05 мс амплитуда колебаний А св зана с напр жением пр моугольного импульса следуюг им соотношением:

А„-(1,5-2).и,„,.К,„,Кр,,,

где Кв,,,Б,Кррз- коэффициенты преобразовани  возбудител  колебаний и резонирующего тела и завис щие; от типа возбудител ; Kpg от места приложени  импульсного воздействи , состо ни  кожного покрова .

Дл  возбуждающего сигнала с частотой , совпадающей с частотой собствен- ньпс колебаний резонирующего тела, св зь амплитуды колебаний мышцы AQ и возбуждающего напр жени  U принимает вид

Ao Q-Uc-K6o3S-Kpev

где Ug - амплитудное значение напр жени  гармонического возбуждающего сигнала.

Средн   мощность гармонического сигнала равна

.2

Р.

У 

cf 2R

Дп  реальных значений параметров исследуемых резонирую1цих тел (добротность 1-5, оптимальна  длительность возбуждающего сигнала 0,05 мс) отношение мощностей составл ет

rl2« s-10

, (1,5-2Г

т.(:. ДЛЯ возбуждени  колебаний мьш- цы с амплитудой А в предлагаемом устройстве потребуетс  мощность в 5-10 раз меньша , чем при импульсном возбуждении (как в известном устройстве) до той же амплитуды, что значительно повьщ1ает электробезопасность устройства при исследовании живых тканей.

Кроме того, применение одного ск нирующего генератора дл  возбуждени  при наличии нескольких приемников колебаний позвол ет проводить одновременное измерение собственных параметров нескольких ньолц. Это может быть необходимо при экспресс-ан лизе состо ни  нескольких мышц паци , ента.

310

Claims (3)

1. Устройство дл  определени  собственных параметров резонирующих

тел, содержащее вычислительный блок, возбудитель колебаний и последовательно подключенные приемник колебаний и усилитель, отличающеес  тем, что, с целью сокращени 

времени и повьшени  точности измерени  параметров, оно дополнительно содержит последовательно соединенн ш блок фиксации максимума резонансной кривой, первую линию задержки, - первый коммутатор и сканирзпощий генератор , .выход которого подключен к входу возбудител  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 усилител , выходы вычислительного блока соединены с блоком индикаторов.

2. Устройство по п. I, о т л и - .чающеес  тем, что блок фиксации максимума резонансной кривой содержит первый и второй..формирова-- тели импульсов, первьй триггер, первый и второй элементы И, первый,

второй и третий ключи, первый и второй пиковые детекторы, инвертор, второй .коммутатор и блок сравнени , причем вход блока фиксации максимума

резонансной кривой соединен с первыми входами первого и второго ключа и с входом первого формировател  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 ком- мутатора соединены соответственно с вторым и третьим входами третьего ключа, первый и второй выходы которого подключены соответственно к пер- и второму входам блока сравне11 . 13 ни , выход которого соединен с вторыми входами первого и второго пиковых детекторов и с выходом блока фиксации максимума резонансной кривой.

3. Устройство по п. 1, отличающеес  тем, что вычислительный блок содержит последовательно соединенные измеритель частоты по периоду, счетчик и сдвиговый регистр , последовательно подключенные второй триггер, реверсивный счетчик, перемножитель и блок масштабировани , последовательно соединенные делитель частоты вторую линию задержки и третью линию задержки, первый вход измерител  частоты по периоду подключен к первому входу вычислитель

Фие,2

312

ного блокаi второй вход измерител , частоты по. периоду соединен с вторым входом вычислительного блока, с входом второго триггера и с входом

делител  частоты, выход которого подключен к одиночному входу сдвигового регистра, выход которого соединен с одним из выходов вычислительного блока и с вторыми входами перемножител ,

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 измерител  частоты по периоду и к входам счетчика, выход блока масштабировани  соединен с другим выходом вычислительного блока.

(Рие.з

Wui.ff

Л Z1

r-o l

iput.f

Ф«г.7

Составитель М.Пластинин Редактор Н.Швыдка  Техред В.Кадар

Заказ 2539/2 Тираж 595.Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва,Ж-35, Раушска  наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предпри тие, г. Ужгород, ул. Проектна , 4

Корректор Т.Колб