Коррелометры. 
Медицинская электроника: основы биотелеметрии

Первичные физиологические сигналы несут огромное количество информации о функциональном состоянии различных органов и систем организма. Расшифровка этой информации, особенно при наличии разнообразных помех, действующих на входе БТМС и в канале связи, представляет очень трудоемкую и сложную задачу. Решение этой задачи возможно лишь с помощью автоматизации обработки, путем использования специализированных и универсальных ЭВМ. При выявлении скрытых закономерностей в физиологических параметрах значительную роль играют методы корреляционного и спектрального анализа (см. § 2.4).

Корреляционные функции физиологических процессов широко используются в. различных экспериментальных медико-биологических исследованиях [75, 99, 143, 205, 216]. При этом, как правило, полагают, что для рассматриваемого физиологического процесса соблюдаются условия стационарности и эргодичности (см. гл. 2). Это допущение позволяет использовать при вычислении корреляционных функций усреднение во времени:

Рис. 3.18.

На рис. 3.19 изображена функциональная блок-схема интегратора дискретного типа. Входной сигнал поступает в блок инвертирования, с выхода которого подается в блок интегрирования. При достижении определенного значения интеграла осуществляются сброс показаний интегратора с помощью разрядника и фиксирование очередной порции интегральных U", значений входного сигнала цифровым счетчиком. Непрерывное время анализа практически ограничивается только емкостью цифрового индикатора. Меняя порог интегрирования, можно в широких пределах менять время анализа и чувствительность прибора. При большой чувствительности системы осциллограмма с записью импульсов интегратора отражает динамику изменения потенциалов с большими подробностями. При необходимости проведения длительных экспериментов удобна более редкая частота следования импульсов.

Рис. 3.19.

где В_х(х) — автокорреляционная функция; В (т) — взаимно корреляционная функция процессов x (t) и у ((), x (t), y (t) — центрированные значения случайных процессов x (t) и y (t); т — задержка во времени.

Как следует из (3.27) и (3.28), вычисление корреляционных функций требует бесконечно большого интервала усреднения. На практике обычно ограничиваются конечным интервалом, что дает не саму корреляционную функцию, а ее оценку В_х(х) и B_{x v}(т):

Вычисление корреляционных функций можно осуществить либо на универсальных ЭВМ, либо с помощью специализированных устройств — коррелометров. Причем вследствие простоты алгоритмов корреляционного анализа и сравнительно невысоких требований к их точности (1…3%) выгоднее применять коррелометры, особенно в передатчике БТМС.

Большинство существующих схем коррелометров [35, 124, 176, 205] используют при вычислении корреляционных функций формулы (3.29) и (3.30).

На рис. 3.20 изображена схема коррелометра, реализующая операции, определяемые формулой (3.29). Аналогично реализуется коррелометр для вычисления взаимнокорреляционной функции В_х (т). Кроме центрирования во входном устройстве может осуществляться дискретизация сигнала во времени и его квантование по уровню.

Рис. 3.20.

Вычисление корреляционной функции может производиться как последовательным, так и параллельным способом. При последовательном способе вычисление корреляционной функции осуществляется последовательно по точкам для каждого значения т, которое может изменяться как непрерывно, так и дискретно. При параллельном способе коррелометр представляет собой многоканальный прибор, каждый канал которого осуществляет вычисление корреляционной функции в определенной точке. На рис. 3.21 изображена упрощенная схема параллельного коррелометра, вычисляющего взаимнокорреляционную функцию В_ху(т) в п точках. Известны также коррелометры, действующие по принципу циклического анализа [124].

Рассмотренные выше коррелометры с умножением входных сигналов носят название мультипликационных. Кроме мультипликационных используются интерференционные коррелометры, основанные на вычислении квадратов входных сигналов, а также коррелометры других типов [26,35, 124, 181].

В зависимости от формы представления выходного сигнала различают аналоговые, цифровые и комбинированные аналого-цифровые коррелометры. Аналоговый коррелометр прост, но точность вычисления его невелика. Цифровые коррелометры позволяют находить корреляционные функции с высокой точностью, однако они более сложны. Аналого-цифровые коррелометры позволяют получить приемлемую точность (1…3%) при сравнительно простой аппаратуре.

Рис. 3.21.