CH632848A5 - Vorrichtung zur detektion von signalen, insbesondere von fetalen herzsignalen. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von 55 Mutter aufgenommen. Durch Subtraktion der beiden EKGs in Abständen auftretenden, untereinander ähnlichen Signalen wird versucht, das maternelle EKG aus dem abdominalen in einem Störanteile enthaltenden Signalgemisch, insbesondere Signal zu eliminieren. Dieses Verfahren arbeitet sehr fehlerhaft, zur Entdeckung von QRS-Komplexen fetaler Herzsignale im da es kaum möglich ist, die beiden maternellen EKGs in Ampli-abdominal abgeleiteten feto-maternellen Elektrokardiogramm, tude und Phase zur Deckung zu bringen. Störsignale werden

Die Detektion von in Abständen auftretenden, untereinan- eo nicht unterdrückt. Dieses Verfahren ist deshalb insbesondere der ähnlichen Signalen in einem Störanteil enthaltenden Signal- im Hinblick auf Routineuntersuchungen ungeeignet.

gemisch stellt beispielsweise in der Perinatalogie bei der Erkennung und Verarbeitung des fetalen Elektrokardiogramms ein 2. Ausblendverfahren bislang nicht befriedigend gelöstes Problem dar. Erst vor der Das maternelle EKG steuert einen elektronischen Schalter,

Geburt nach Öffnen der Fruchtblase, lässt sich das fetale EKG 65 der das abdominale EKG ausblendet, sobald ein materneller mit Hilfe von Kopfschwartenelektroden direkt vom Feten QRS-Komplex auftritt. Bei diesem Verfahren können keine ableiten. Da diese Methode während der gesamten Dauer der fetalen QRS-Komplexe entdeckt werden, die ganz oder teil-Schwangerschaft nicht angewandt werden kann, muss auf weise mit den maternellen zusammenfallen.

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3. Amplitudendiskriminierung

Das abdominale EKG steuert zwei Triggerschaltungen mit unterschiedlichen Schwellwerten an. Das Überschreiten des oberen Schwellwertes signalisiert das Auftreten eines maternellen QRS-Komplexes, der untere zeigt einen fetalen QRS-Komplex an. Dieses Verfahren weist die gleichen Nachteile wie das Ausblendverfahren auf. Alle drei Verfahren sind sehr unzuverlässig, wenn Störimpulse auftreten.

Nach dem prinzipiell gleichen Verfahren läuft die von Christiansen und Hoegl («Entwurf eines Gerätes zur Messung des fetalen Elektrokardiogramms vor und während der Geburt», Biomedizinische Technik, Bd. 20, H 5/1975) vorgeschlagene Signalanalyse ab. Hier wird jedoch statt der Signalamplitude ihre erste Ableitung geprüft. Eine grössere Zuverlässigkeit in der QRS-Komplexerkennung kann hierdurch nicht erreicht werden.

4. Selektive Filter

Die grösste Genauigkeit in der Erkennung gestörter Signale bieten selektive Filter. Zum Auffinden eines Signals, dessen Wellenform bekannt ist, bietet sich das optimale Suchfilter (matched filter) als beste Lösung an. Die bisher zur <beat-to-beat>-Erkennung des fetalen QRS-Komplexes benutzten selektiven Filter weisen jedoch nicht die Struktur des optimalen Suchfilters auf und arbeiten dementsprechend unzuverlässig. Der Ausgang des optimalen Suchfilters liefert die Autokorrelationsfunktion (AKF) des Nutzsignals. Da die Wellenform des gesuchten Signals jedoch nicht bekannt ist, kann ein spezielles Suchfilter in diesem Fall nicht realisiert werden.

Den nach den bekannten Verfahren arbeitenden Vorrichtungen ist gemeinsam, dass sich Fehlregistrierungen ergeben, welche ihre Ursache in dem ungünstigen Verhältnis der Störanteile zu den detektierenden Signalen auch noch nach der Aufbereitung entsprechend den jeweiligen Verfahren haben. Die theoretische Güte eines optimalen Suchfilters lässt sich durch keines dieser Verfahren auch nur annähernd erreichen.

Aus der DE-OS 18 07 147 ist ein Wellenformdetektor bekannt, der es ermöglicht, mittels eines Korrelationsverfahrens eine vorbekannte Wellenform in einem Signalgemisch aufzufinden. Eine Wellenform zu ermitteln, die in ihrem Verlauf nicht von vornherein bekannt ist, ist damit allerdings nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die ein zuverlässiges Auffinden von in Abständen auftretenden, untereinander ähnlichen Signalen in einem Störanteile enthaltenden Signalgemisch unter besonderer Anpassung des Detektionsverfahrens an den jeweiligen Zustand der aufzunehmenden Signale ermöglicht, wobei die genaue Form des aufzufindenden Signals zunächst nicht bekannt zu sein braucht.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, das Auffinden der Signale dadurch zu erleichtern, dass charakteristische Störsignale, welche die aufzufindenden Signale überlagern, aus dem Signalgemisch beseitigt werden.

Das Auffinden soll von einer entsprechenden Messvorrichtung bei geringem rechnerischen Aufwand weitgehend automatisch ausführbar sein, so dass Messungen auch von technisch nicht vorgebildeten Personen schnell und sicher ausgeführt werden können. Nach der Entdeckung des Signals soll es ausserdem möglich sein, seine Wellenform wiederzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäss Patentanspruch 1 gelöst.

Besonders vorteilhaft bei der erfindungsgemässen Vorrichtung ist, dass sie eine Signalauswertung in Echtzeit ermöglicht, so dass die Ergebnisse nach einer kurzen Anlaufphase unmittelbar zur Verfügung stehen. Jeder einzelne Signalzug wird dabei direkt erkannt. Der Auswertungsablauf passt sich einer zeitlichen Änderung der Eingangssignale automatisch an, so dass stets die nach den Umständen beste Erkennung der gestörten Signale möglich ist. Die Auswertungsergebnisse entsprechen in guter Näherung den mit einem optimalen Suchfilter erzielbaren.

s Die als medizinisches Untersuchungsgerät einsetzbare Vorrichtung eignet sich wegen ihrer einfachen Bedienbarkeit infolge des automatisierten Auswertungsprozesses und sicheren Erfassung der zu ermittelnden Signale auch für Routineuntersuchungen, so dass sich ein breites Anwendungsfeld, bei-io spielsweise auch für die Aufnahme von Myosignalen, ergibt. Mit geringen zusätzlichen Mitteln ist auch jederzeit die Wellenform des fetalen Elektrokardiogramms darstellbar.

Eine der Lösungsmöglichkeiten basiert auf einer Signalanalyse mittels Korrelation. Die Berechnung der AKF des Signals 15 ist von der Signalform unabhängig und kann deshalb auch vorgenommen werden, wenn das erwartete Signal à priori nicht bekannt ist. Es besteht lediglich die Möglichkeit, das EKG aufgrund seiner Periodizität zu entdecken, die in der AKF erhalten bleibt. Da jedoch der Abstand zweier QRS-Komplexe nicht 20 konstant ist, sondern grösseren Schwankungen unterliegt, und das als Störung enthaltene maternelle EKG ebenfalls periodisch ist, kann hieraus eine sichere Entdeckung jedes einzelnen Herzschlages nicht abgeleitet werden. Dieser Nachteil der Korrelationsanalyse konnte dadurch behoben werden, dass es 25 gelang, die Wellenform des gesuchten Signals, obwohl primär nicht bekannt, durch ein parallel ablaufendes Verfahren zu bestimmen und unter Benutzung dieses Musters - gemäss einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemässen Vorrichtung - eine Analyse mit Hilfe der Kreuzkorrelationsfunktion 30 nach der Methode des optimalen Suchfilters durchzuführen.

Bei der Erfindung wurde von der Erkenntnis ausgegangen, dass bei einer Vorrichtung zur Detektion von Signalen, deren Wellenform nicht bekannt ist, und die zudem in variablen Abständen auftreten, eine Möglichkeit der Adaption des Ver-35 fahrens an die unterschiedlichen Zustände des Signals gegeben sein muss. Durch die Ermittlung der Wellenform des Signals, nachdem es zunächst einmal durch eine Methode mit einiger Sicherheit erkannt worden ist, und die Zugrundelegung dieses Signalverlaufs bei dem späteren Wiederauffinden desselben 40 oder eines diesem ähnlichen Signals, werden die Nachteile der bekannten Verfahren vermieden. Nachdem in einer Anfangsphase der Messung das gesuchte Signal zunächst einmal erkannt wurde - beispielsweise in einem Zeitraum, in dem ein sich in zeitlichen Abständen wiederholendes Störsignal gerade 45 nicht auftrat -, ist für die weiteren Messungen die Empfindlichkeit der Messung derart gesteigert, dass auch von Störsignalen überdeckte Nutzsignale regelmässig detektiert werden. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig, wenn es, wie bei der Aufnahme von Elektrokardiogrammen, darauf ankommt, die so Wiederholfrequenz des Signals und die dabei auftretenden Schwankungen genau zu ermitteln.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der erfindungsgemässen Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden weiter unten näher beschrieben. 55 Nachfolgend wird am Beispiel der Auswertung eines feto-maternellen EKGs dargestellt, wie mittels Bildung der Autokorrelationsfunktion zunächst eine Erkennung des gesuchten Signals durchgeführt wird, während das spätere Wiederauffinden des Signals durch Bildung der Kreuzkorrelationsfunktion 60 zwischen dem festgehaltenen Signalmuster und dem anstehenden Signalverlauf erfolgt.

Die Autokorrelationsfunktion eines Signals ist allgemein definiert durch:

+T

85 ^ ç

Rss^T^ ~ T"T " ' s(t_T) dt

-T

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Da sich das abdominale Signal S(t) aufspaltet in die Terme Ef(t) und N(t),

S(t) = Ef(t) + N(t)

gilt für die Autokorrelationsfunktion :

(1) Rss(T)= R'ee( x) + Rnn( t) + Ren( t) + Rne( x)-

E ist das fetale EKG, N die Überlagerung aus maternellem Elektromyogramm, Rauschanteilen und Resten des unterdrückten maternellen EKGs. Die AKF der Störanteile, RNN, weist bei t = 0 ein Maximum auf, das für x > 0 nicht mehr erreicht wird. Die AKF des Nutzsignals, REE, weist periodische Maxima auf, die bei t = k • Tf (k = 0,1,2,...), liegen, wobei Tf der Abstand zweier fetaler QRS-Komplexe angibt. Nimmt man an, dass die Kreuzkorrelationsanteile und RNN für x>0 klein sind gegen die Maxima von RSS, und der Abstand zweier QRS-Komplexe konstant ist, dann ist es durch die Bestimmung der Maxima für t>0 grundsätzlich möglich, das fetale EKG zu ermitteln.

Obwohl diese Annahmen nur grobe Näherungen der tatsächlichen Verhältnisse darstellen, kann zwar auf diese Weise eine deutliche Verbesserung der Zuverlässigkeit der Signalanalyse gegenüber den bekannten Vorrichtungen erreicht werden, beim Auftreten ausgeprägter Störsignale und bei hohen Anforderungen an die Genauigkeit der Signalermittlung reicht die erzielte Detektionssicherheit jedoch nicht aus. Darüber hinaus erfordert die Berechnung der AKF für die praktische Anwendung einen zu grossen Aufwand, da das Integral für mindestens den gesamten Bereich von t = 0 bis t = Tf berechnet werden muss.

Unter der Annahme, dass die Leistung des zu detektieren-den Signals im anliegenden Signalverlauf grösser ist als diejenige der darin enthaltenen Störungen, so ist es durch Berechnung der AKF für t = 0, d. h. durch Leistungsmessung, lokalisierbar. Hierdurch lässt sich eine erhebliche Reduzierung des rechnerischen Aufwands erreichen. Übersteigt bei der Aufnahme eines fetalen Elektrokardiogramms die Signalleistung einen vorher festgelegten Pegel, so wird auf das Vorhandensein eines QRS-Komplexes geschlossen.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird das Maximum der AKF während eines vorgegebenen Zeitraumes ermittelt, der sich bei einem Verfahren zur Festlegung des Pegels bei der Erkennung von QRS-Komplexen fetaler Herz-5 signale im fetomaternellen Elektrokardiogramm günstigerweise über den Zeitraum einer Anzahl von maternellen Herzsignalen erstreckt.

Die Zuverlässigkeit der Signalerkennung reicht aus, um den Pegelanstieg des durch Autokorrelation gewonnenen Signals io als Triggerimpuls zu verwenden für die Auslösung des Registrierungsvorgangs des im Signalgemisch erkannten, gesuchten Signals als Muster für die weitere Signalerkennung. Die Genauigkeit dieses Musters wird im weiteren Ablauf durch Mittelwertbildung mit später aufgenommenen Signalen verbes-15 sert und das Muster dabei aktualisiert.

Die weiteren Signalerkennung wird anhand dieses Musters durch Kreuzkorrelationsanalyse durchgeführt. Die KKF aus abdominalem Signal S(t) und Muster-EKG M(t) setzt sich fol-gendermassen zusammen:

+T

RSM(T>

1

yT

L

S(t) . M(t

- T

) dt mit S(t) = Ef(t) + N(t)

folgt: Rsm( t) = Ree( t)

und wegen M(t) = E(t)

30 (2) Rsm( t) = REE( T) + Rne +)

Die Differenz zwischen AKF und KKF ergibt: (1)—(2) Rss—Rsm = Rnn + Ren

35

Die KKF weist also ein wesentlich besseres Signal/Stör-Verhältnis auf als die AKF. Die hiermit erzielbaren Ergebnisse entsprechen den gestellten klinischen Anforderungen.

Bei der Durchführung der Signalanalyse wird zu jedem

4o Zeitpunkt tj die KKF für t = 0 berechnet. Die digital durchgeführte Rechnung erfolgt nach der Formel:

p-i

1 y p ^ k=0

S [k • At + t - (P - 1 ) At] M (k • At)

t = zeitlicher Abstand zweier aufeinanderfolgender Abtastpunkte.

Die Genauigkeit der Analyse ist abhängig von der Anzahl der zur Berechnung der KKF benutzten Stützstellen. Die Signalauswertung erfolgt bei der erfindungsgemässen Vorrichtung - wie in der Korrelationstechnik üblich - wenn es auf den zeitlichen Verlauf ankommt, durch Auswertung bzw. Speicherung von zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommenen Amplitudenwerten (Stützstellen). Hier muss ein Kompromiss unter Berücksichtigung sowohl der angestrebten Genauigkeit als auch des schaltungstechnischen Aufwands erfolgen. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird im Zeitpunkt ti, zu dem die auf 1 normierte KKF einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, auf das Vorhandensein eines fetalen QRS-Komplexes im abdominalen EKG geschlossen. Hat die KKF ihr Maximum erreicht, so sind das Muster-EKG und das im abdominalen Signal enthaltene fetale EKG gleichphasig. Ein daraus abgeleitetes Triggersignal kann die Anpassung des Musters an das aktuelle EKG durch die genannnte Mittelwertbildung steuern, welche dann ebenfalls exponentiell erfolgen so kann.

Da die Amplitude des fetalen EKGs zeitlichen Schwankungen unterworfen ist, ist es günstig, die Triggerschwelle, deren Überschreiten durch die KF das Vorliegen eines fetalen QRS-Impulses anzeigt und andererseits die Registrierung des Herz-55 signais als Muster bzw. dessen Verarbeitung in Form einer Mittelwertbildung auslöst, variabel zu gestalten, so dass sich das Signaldetektionsverfahren Pegelschwankungen des Eingangssignals anpasst.

Bisweilen kommt es vor, dass das gestörte Signalgemisch 60 weitere Signale enthält, die zwar wie das Nutzsignal unter sich ähnlich sind und in Abständen erscheinen, deren Auftauchen aber unerwünscht ist, da sie die Erkennung des Nutzsignals beeinträchtigen. Bei der Analyse fetaler EKGs stellt das maternelle Herzsignal eine derartige Störung dar. Weil es vom 65 Signaltyp her dem zu detektierenden fetalen Herzsignal sehr ähnlich ist, dieses amplitudenmässig aber um ein Vielfaches übertrifft, stellt es eine erhebliche Beeinträchtigung der Erkennung des fetalen Herzsignals dar.

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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemässen Vorrichtung wird diesé Schwierigkeit dadurch beseitigt, dass die unter sich ähnlichen, in Abständen erscheinenden Signalanteile, die einen bestimmten Pegel überschreiten, erkannt und durch Subtraktion aus dem Signalgemisch eliminiert werden. Wichtig ist, dass beim Auftauchen eines derartigen Störsignals nicht der tatsächliche aktuelle Signalverlauf subtrahiert wird, da dann am Ausgang ein Nullpegel erscheinen würde, sondern ein aus den in der Vergangenheit erkannten Signalen gemitteltes Signal, wobei zweckmässigerweise wiederum eine exponentielle Mittelung angewendet wird. Bei der Erkennung des fetalen EKG wird also das maternelle EKG vor der Korrelationsanalyse vom abdominalen Signal subtrahiert, wodurch auch bei Analyse stark gestörter Elektrokardiogramme eine ausreichende Sicherheit bei der Erkennung des fetalen EKGs gegeben ist.

Um eine optimale Signalerkennung durchführen zu können, wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung das gestörte Signal vor der Anwendung der Detektionsverfah-ren in der Weise vorgefiltert, dass lediglich diejenigen Frequenzanteile durchgelassen werden, welche in dem aufzufindenden Signal enthalten sind.

Falls es gewünscht wird, das aufzufindende Signal später wieder in seinem zeitlichen Verlauf darzustellen, kann durch eine entsprechende inverse Filterung der ursprüngliche Signalverlauf rekonstruiert werden.

Eine Verbesserung der Störunterdrückung kann erzielt werden, wenn die Amplitude des im Speicher festgehaltenen Musters zur Subtraktion nicht an die Amplitude des Signalge-mischs, sondern an die Amplitude des im Gemisch enthaltenen und zu unterdrückenden Störsignals angepasst wird. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Amplitude des Nutzsignals nicht wesentlich kleiner ist, als diejenige des Störsignals.

Dadurch, dass die Maxima von Störsignal und Signalgemisch beträchtilich voneinander abweichen, würden somit Fehler bei der Subtraktion entstehen. Da die Amplitude des im Signalgemisch enthaltenen Störsignals jedoch nicht vor seiner Abtren-5 nung direkt gemessen werden kann, scheint zunächst eine derartige Anpassung nicht möglich zu sein. Das Problem konnte jedoch unter Ausnutzung der Signalstatistik gelöst werden. Eine besonders vorteilhafte Methode besteht darin, den Skalierfaktor K für die Amplitudenanpassung aus dem Verhältnis io der Kreuzkorrelationsfunktion zwischen Muster und Signal zur AKF des Musters oder auch der Kreuzleistung zwischen Muster und Signal und Leistung des Musters zu berechnen. Hierdurch ergibt sich eine Skalierung, die nur noch vom Störsignal selbst abhängig ist, und somit von der Theorie her fehler-15 frei ist.

Der Vorteil der Benutzung von AKF und KKF im Zusammenhang mit dem gesamten Verfahren liegt darin, dass in der übrigen Schaltung ohnehin vorhandene Baugruppen (z. B. der Korrektor) mit verwendet werden können.

20 S(t) = E(t) + N(t) S(t) = zu verarbeitendes Signalgemisch E(t) = zu unterdrückendes Störsignal N(t) = Nutzsignal (fetales EKG) E(t) = k*M(t) M(t) = Muster des Störsignals

Es soll gelten:

25

(1) S(t) - k*M(t) = N(t)

Gesucht ist k; N(t) ist unbekannt.

Multiplikationen mit M(t):

30

S(t) • M(t) - k • M(t)2 = N(t) • M(t)

Integration:

/s(t).M(t) dt - k J M ( t ) 2dt = y*N(t)-M(t)dt oder

Rsm(0) — k- RMM(0) = RNM(0)

Wenn Muster und Nutzsignale unkorreliert sind, dann ist ihre Kreuzkorrelationsfunktion RNM(0) = (0).

Daraus folgt:

k - Rsm(0) " W0»

und wegen RSM = Rem + Rnm mit Rnm = 0

folgt, dass k unabhängig ist von N(t).

Der Skalierfaktor K bestimmt sich also als Quotient aus der KKF zwischen Signal und Muster und der AKF des Musters. Dies entspricht dem Quotienten der Kreuzleistung zwischen Signal und Muster und der Leistung des Musters.

Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung kommt es darauf an, ein in einem gestörten Signalgemisch enthaltenes, gesuchtes Signal zunächst ein oder mehrere Male aufzufinden. (Wird für die Signalerkennung ein Amplitudenkriterium benutzt, so liegt der Schwellwert zweckmässigerweise über der später durch die Vorrichtung zu erzielenden Empfindlichkeitsschwelle.) Diese erkannten Signale werden als «Muster» herangezogen, um damit auch im Signalgemisch verborgene und nicht ohne weiteres erkennbare Signale aufzufinden. Zur Erzielung einer Verbesserung eines Mustersignals mit der Zeit oder, um eine Anpassung an zeitliche Änderungen des Signals zu bewirken, kann das jeweils erkannte Signal mit dem gespei-40 cherten Mustersignal - vorzugsweise exponentiell - gemittelt werden.

Zur Erkennung des gesuchten Signals für eine spätere weitere Verbesserung des Mustersignals kann entweder das ursprügliche Kriterium oder ein durch Vergleich des gestörten 45 Signalgemisches mit dem Mustersignal auf Ähnlichkeiten hin gewonnenes Steuersignal verwendet werden.

Entweder kann das gemittelte Signal anschliessend als das im gestörten Signalgemisch aufgefundene gesuchte Signal ausgewertet werden, wobei jeweils das letzte erkannte Signal so noch in die Mittelung eingeht, oder es kann das gemittelte Signal zur subtraktiven Befreiung des Signalgemisches von diesem eine Störung bildenden Signal vor der entgültigen Auswertung herangezogen werden.

Dabei sollte das zuletzt erkannte Signal nicht vor der Sub-55 traktion in die Mittelung eingehen, da es, wenn es einen zeitlichen Ausschnitt aus dem Signalgemisch darstellt, in einem überlagerten Signalanteil auch das gesuchte Signal enthält, welches für eine wirkungsfreie Störbefreiung durch Subtraktion nicht im Subtrahenden vorkommen sollte.

60 Dadurch, dass bei der erfindungsgemässen Vorrichtung einerseits ein gesuchtes Signal und andererseits ein Störsignal, die beide in ihrem Verlauf zunächst unbekannt sind, ermittelt werden können, wobei das gesuchte Signal ausgewertet wird, während das ermittelte Störsignal beseitigt wird, ist die Mög-65 lichkeit gegeben, das gesuchte Signal von einem Störsignal in einem Signalgemisch auch dann zu trennen, wenn beide Signale einander relativ ähnlich sind. Es muss lediglich die Möglichkeit geschaffen werden, im Anfangszeitraum der Mes-

sung durch das erste Kriterium die beiden Signale getrennt zu erkennen und festzuhalten, um sie als Mustersignal beim Wiedererkennen des Signals bzw. der Störung heranzuziehen. Dabei kann beispielsweise das gesuchte Signal eine wesentlich geringere Amplitude aufweisen als das Störsignal.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung wird vorteilhafterweise unter Verwendung eines oder mehrerer Mikroprozessoren realisiert.

Zwei bevorzugte Ausführungsformen sind in verschiedenen Varianten in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschema der Signalbehandlung in der erfindungsgemässen Vorrichtung, zusammengefasst für alle Ausführungsformen,

Fig. 2 eine Darstellung der Signalaufnahme,

Fig. 3a ein Blockschaltbild einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung,

Fig. 3b ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform unter Verwendung eines Mikroprozessors,

Fig. 3c ein Blockschaltbild einer Variante der ersten Ausführungsform, die auch zusammen mit der zweiten Ausführungsform verwendet werden kann,

Fig. 4 ein Flussdiagramm der prinzipiellen Signalbehandlung in der erfindungsgemässen Vorrichtung als Grundlage für ein Rechenprogramm, das beispielsweise zur Steuerung eines Mikroprozessors dienen kann,

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Subtrahierers für die erfindungsgemässe Vorrichtung,

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines entsprechenden Mittelwertbildners,

Fig. 7a einen für die erfindungsgemässe Vorrichtung geeigneten Maximumdetektor in digitaler Ausführung,

Fig. 7b einen derartigen Maximumdetektor in analoger Ausführung,

Fig. 8 ein Blockschaltbild eines geeigneten Korrektors in der erfindungsgemässen Vorrichtung und

Fig. 9 eine schematische Darstellung der Bildung der Kreuzkorrelationsfunktion.

In Fig. 1 ist prinzipiell die zeitliche Funktion der Vorrichtung bei den im folgenden dargestellten Ausführungsbeispielen wiedergegeben. Die Darstellung ist so allgemein gehalten, dass alle nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen und Varianten umfasst sind. Bei den einzelnen dargestellten Stufen kann es sich entweder um in Form von elektronischen Baugruppen realisierte Schaltungen oder aber auch um Stufen eines Rechenprogramms handeln, welches in Echtzeit von einer entsprechenden Rechenanlage ausgeführt wird. Der Punkt 201 stellt dabei entweder den Eingang der Schaltung oder den Startpunkt des Rechenprogramms dar. Die Stufe 202 umfasst alle Schritte, die mit der Aufnahme des EKGs verbunden sind.

Eine Darstellung zur Aufnahme des feto-maternellen EKGs ist in Fig. 2 wiedergegeben. Verschiedene Elektroden 301,302 und 303 sind zur Messwertaufnahme am Körper einer Patientin

304 angebracht, wobei das Elektrokardiogramm eines Feten

305 ermittelt werden soll. In dem mittels der Messwertaufnehmer 301 bis 303 aufgenommenen Signalverlauf 306 ist das Signal vom Herzen 307 des Feten überlagert vom Signal des Herzens 308 der Mutter sowie verschiedenen Störanteilen. Das fetale bzw. das maternelle Herzsignal ist im Signalverlauf 306 mehrfach mit «f» bzw. «m» gekennzeichnet.

Das aufgenommene feto-maternelle Herzsignal wird in einer Filterstufe 203 von störenden Signalanteilen befreit,

wobei in der nachfolgenden Stufe 204 das maternelle Herzsignal durch Subtraktion aus dem gefilterten Eingangssignal beseitigt wird. Subtrahiert wird ein Signalverlauf, der dem Mittelwert des maternellen EKGs entspricht, wobei das mütterliche EKG durch einen Maximumdetektor jeweils erkannt und

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die Mittelwertbildung in seinem Verlauflaufend verbessert bzw. aktualisiert wird. Bei den beiden Varianten des Verfahrens wird entweder für die Gesamtzeit das Maximumkriterium beibehalten oder aber das Maximumkriterium in einem Anfangs-5 Zeitraum auf die Autokorrektionsfunktion des Eingangssignals angewandt, während es zu einem späteren Zeitpunkt, wenn das maternelle Elektrokardiogramm ausreichend sicher erkannt worden ist, auf der Erkennung des Maximalwertes der Kreuz-korrelationsfunktion zwischen dem gespeicherten Signalver-io lauf und dem Eingangssignal beruht, so dass nur ein dem gespeicherten Signalverlauf ähnliches Signal zur Mittelwertbildung und damit Verbesserung des Signalverlaufs herangezogen wird. Der Mittelwert des maternellen EKGs wird in Stufe 205 festgehalten.

15 Bei der Subtraktion wird die Amplitude des zu subtrahierenden Signals an die Amplitude des Eingangssignals ange-passt, wobei der die Amplitude des zu subtrahierenden Signals bestimmende Skalierfaktor K sich entweder aus dem Verhältnis der Amplitude des gespeicherten maternellen EKGs zur 20 Amplitude des Eingangssignals, d. h. des maximalen aktuellen maternellen QRS-Komplexes ergibt. Werden in dieser Stufe -entsprechend der anderen Variante des Verfahrens - Korrelationsfunktionen gebildet, so Iässt sich der Skalierfaktor K aus dem Verhältnis der Kreuzkorrektionsfunktion zwischen dem 25 gespeicherten Muster-EKG und dem Eingangssignal zur Autokorrelationsfunktion des Mustersignals bilden.

In der nachfolgenden Stufe 206 wird die eigentliche Ermittlung des fetalen EKG-Signals vorgenommen, wobei erfindungs-gemäss zunächst das Vorhandensein eines fetalen Herzsignals 30 durch ein Maximumkriterium festgestellt wird, während im späteren Verlauf des Verfahrens das zweite Kriterium zur Ermittlung des Vorhandenseins eines fetalen Herzsignals im Mass der Übereinstimmung zwischen dem Verlauf des Eingangssignals und dem gespeicherten Mittelwert, d. h. dem Mustersignal, 35 besteht. Der Mittelwert des fetalen EKGs ist in Stufe 207 festgehalten, während in Stufe 208 aus dem zeitlichen Abstand der fetalen Herzsignale die fetale Herzfrequenz errechnet und festgehalten wird.

Die in den Fig. 3a und 3c dargestellten Blockschaltbilder 40 geben beispielhaft den Aufbau einer erfindungsgemässen Vorrichtung an. Die Realisierung der dargestellten Stufen durch elektronische Schaltungen ist dem Fachmann geläufig, da es beispielsweise mittels von den Bauelementeherstellern herausgegebenen Applikationen möglich ist, für jede der schlagwort-45 artig bezeichneten Schaltungsbaugruppen eine möglichst konkrete Ausführungsform anzugeben. Dafür bietet sich z. B. die TTL-, die CMOS- oder auch vergleichbare Techniken an. Eingehender wird der Aufbau einzelner Schaltungsgruppen noch anhand der Fig. 5 bis 8 dargestellt werden, auf die bei der nähe-50 ren Beschreibung des Ausführungsbeispiels jeweils noch Bezug genommen wird.

In Fig. 3b ist ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung wiedergegeben. Im Gegensatz zu dem in den Fig. 3a und c dargestellten 55 Ausführungsbeispiel erfolgt hier die Signalaufbereitung durch Mikroprozessoren. Aus Gründen der Übersicht ist die Verwendung zweier Mikroprozessoren dargestellt. Entsprechend kann selbstverständlich auch ein einziger Mikroprozessor verwandt werden, der die Signalverarbeitung dann im Time-sharing-Ver-6o fahren durchführt. Die Entscheidung, welche der Möglichkeiten gewählt wird, die Schaltung zu realisieren, hängt von der weiteren technischen Entwicklung, den benötigten Stückzahlen und den an die Arbeitsgeschwindigkeit, die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit gestellten Anforderungen ab. 65 Bei der in Fig. 3a dargestellten Ausführung wird das abdominal abgeleitete feto-maternelle Herzsignal einem Vorverstärker 1 zugeführt, der den geringen Pegel des Eingangssignals auf einen Wert anhebt, der für die Verarbeitung in den

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nachfolgenden Stufen ausreichend ist. chert ist, lässt sich eine nahezu optimale Störbefreiung durch-

Eine erste Verbesserung des Signal/Stör-Verhältnisses führen.

erfolgt mittels Filterung durch ein Bandpassfilter 2. Im Bereich Der zur Subtraktion benötigte Muster-QRS-Komplex wird niedriger Frequenzen übersteigt die Leistung der maternellen durch gewichtete Mittelwertbildung bestimmt, wobei die

QRS-Komplexe diejenigen der fetalen bei weitem. Hier liegen 5 Berechnung des maternellen QRS-Musters und die Subtraktion auch die Frequenzanteile der zu erwartenden Aktionspoten- durch ein Triggersignal ausgelöst wird, das das Auftreten eines tiale des maternellen Herzsignals. QRS-Komplexes anzeigt und durch einen Schwellwertdetektor

Zwischen 15 und 40 Hz haben beide Signalleistungen in erzeugt wird. Dieser Schwellwertdetektor ist in Fig. 3a in der etwa die selbe Grössenordnung. Durch eine Bandpassfilterung Form eines Maximumdetektors 3 bzw. 3' vorgesehen. Die in diesem Frequenzbereich lässt sich somit eine selektive Ver- 10 Erkennung der maternellen QRS-Komplexes durch den Maxistärkung des fetalen Herzsignals erzielen. mumdetektor ist sowohl digital (Block 3) als auch analog (Block Die Festlegung der unteren und der oberen Frequenz- 3' ) realisierbar. Die analoge Lösung bietet wegen des geringen grenze erfolgt so, dass diejenigen Frequenzanteile des empfan- schaltungsmässigen Aufwands Vorteile. Sie ist in Fig. 3a als genen Signals, die zur Erkennung des Nutzsignals nicht beitra- Alternative gestrichelt dargestellt. Je nach gewählter Ausfüh-gen, unterdrückt werden. Bei der Analyse des fetalen Elektro- i5 rung der Schaltung wird das Signal für den Maximumdetektor kardiogramms ist ein zweites Kriterium für die Bemessung der 3 bzw. 3' vor oder hinter einem Analog-Digital-Converter 4 Grenzen des Frequenzbandes, dass das maternelle Herzsignal abgegriffen. Der Analog-Digital-Converter 4 arbeitet mit einer zwar gedämpft wird, jedoch noch eine grössere Amplitude auf- Abtastfrequenz von 1 kHz. Das vom Eingang her zugeführte, weist als das fetale Signal, so dass eine Erkennung der mater- gefilterte und digitalisierte fetomaternelle Herzsignal wird in nellen QRS-Komplexe mittels Schwellwertdetektoren möglich 20 einem Speicher 5 festgehalten und von dort aus einem Mittelist. Unter Zugrundelegung dieser Überlegungen ergeben sich wertbildner 6 zugeführt. Auf ein Triggersignal des Maximum-die Frequenzgrenzen für das Bandpassfilter 2 bei einer vorteil- detektors 3 bzw. 3' hin wird durch den Mittelwertbildner 6, haften Ausführungsform der Erfindung mit fu = 15 Hz und fo = sobald ein neuer materneller QRS-Komplex erkannt wurde, aus 40 Hz. Gute Ergebnisse wurden mit einem nichtrekursiven digi- diesem und einem bereits im Mittelwertspeicher 7 festgehalte-talen Filter linearer Phasen erzielt. Über eine Rückführung 25 nen Muster des maternellen QRS-Komplexes ein neuer Mittel-vom Ausgang des Bandpasses her kann durch Amplitudenrege- wert gebildet, der anschliessend als aktualisierter Mittelwert in lung des Vorverstärkers 1 die Triggerschwelle zur Erkennung den Speicher 7 eingegeben wird. Dieser Mittelwert kann im des maternellen EKGs auf einem konstanten Wert gehalten Anfangszustand gleich null sein, es kann aber auch ein beliebi-werden, so dass keine weitere externe Amplitudeneinstellung ges Mustersignal angenommen werden.

mehr erforderlich ist. 30 Das maternelle Mustersignal wird in einer Amplitudenan-

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein (nicht dar- passeinrichtung 8 in Fig. 5 mit den sie umgebenden Blöcken gestellter) Gleichrichter im Signaleingang vorgesehen, der gemäss Fig. 3a im einzelnen dargestellt. Die Amplitude des im ohne Integration in einer üblichen Schaltungsanordnung eine Mittelwertspeichers 7 gespeicherten maternellen Muster-Gleichrichtung des Eingangssignals bewirkt. Diese Lösung ist signais wird mittels Division durch einen Skalierfaktor K an bei der Aufnahme von Myosignalen vorteilhaft, wenn das zu 35 den aktuellen Amplitudenverlauf des Eingangssignals angeerkennende Eingangssignal eine festgelegte Polarität aufweist, passt, um eine möglichst vollständige Befreiung 'des fetalen Dabei ergibt sich für die Anwendung bei der Aufnahme des Herzsignals von dem maternellen Anteil zu erreichen. Das in feto-maternellen Elektrokardiogramms der Vorteil, dass die Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel weist einen üblichen Elektroden nicht in jedem Anwendungsfall so plaziert sein müs- digital arbeitenden Dividierer 10 auf, dem die zu dividierenden sen, dass stets positive oder negative R-Zacken zu erwarten 40 Signale über Multiplexer 11 und 12 zeitlich abwechselnd zuge-sind und es steht gleichzeitig eine geeignete Regelspannung für führt werden. Das Ergebnis wird über einen Démultiplexer 13 den Vorverstärker 1 zur Verfügung. Die weitere Signalverar- ausgegeben. Zusätzlich ist noch ein Maximumspeicher 14 für beitung bleibt dabei unberührt. die Ermittlung der Amplitude des aktuellen maternellen QRS-

In Fig. 4 ist ein Flussdiagramm des Ablaufs der weiteren Komplexes und ein Speicher 14a für den Skalierfaktor K vorge-Signalverarbeitung in den einzelnen Blöcken der Darstellung 45 sehen. Die Amplitudenanpasseinrichtung 8 lässt sich ein-gemäss Fig. 3a und b wiedergegeben. Dieses Flussdiagramm schliesslich der darin enthaltenen digitalen Divisionseinrich-kann die Grundlage für den Entwurf einer Geräteschaltung tung mittels handelsüblicher Halbleiterbauelemente, wie beiunter Verwendung von diskreten oder integrierten Bauelemen- spielsweise integrierten TTL-Schaltungen, entsprechend den ten bilden und stellt nur ein Beispiel dar, das entsprechend den von den Halbleiterherstellern herausgegebenen Applikationen, individuellen Erfordernissen abgewandelt werden kann. Zur 50 realisieren.

Verdeutlichung des Ablaufs wird im Folgenden die Beschrei- Es erscheint also am Ausgang der Subtraktionseinrichtung bung dieses Ablaufs parallel anhand der Fig. 3a, 3b, 3c, 4 und, 9 als Signal EKGfet die Differenz D, die wie folgt gebildet wird: soweit es Einzelheiten betrifft, parallel anhand der Fig. 5 bis 9

vorgenommen werden. D = E - M/K

Um bei Analyse der Elektrokardiogramme eine ausrei- 55

chende Sicherheit der Erkennung der QRS-Komplexe erzielen mit zu können, wird zunächst das in diesem Fall ein Störsignal dar- E = aktuelles abdominales EKG

stellende maternelle Herzsignal vor der Korrelationsanalyse M = Muster des maternellen EKG und vom gesamten abdominalen Signal subtrahiert. Voraussetzung K = Skalierfaktor für die Amplitudenanpassung bei der Sub-

hierfür ist, dass die maternellen QRS-Komplexe sicher erkannt 60 traktion,

werden. Dazu wurde die Bandbreite des Vorfilters bereits so wobei der Wert K für jeden ermittelten QRS-Komplex neu festgelegt, dass die niederfrequenten und die hochfrequenten errechnet wird aus Störanteile des Signals ausreichend unterdrückt sind, das maternelle Elektrokardiogramm gut erkennbar bleibt und das K = Mmax/Emax fetale Herzsignal darüber hinaus in der Amplitude heraufge- 65

setzt wird. Durch die gezielte Subtraktion eines identifizierten mit störenden Signalanteils, der in der Form eines aus dem vorher- Emax = Amplitude des aktuellen maternellen QRS-Komplexes gehenden Signalgemisch extrahierten Mustersignals gespei- und

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Mmax= Amplitude des maternellen Mittelwertes.

Die Mittelwertbildung, die für die Anpassung gespeicherter Signale an den tatsächlichen Signalverlauf an verschiedenen Stellen notwendig ist, um das Gedächtnis der betreffenden Speichermittel «aufzufrischen», ist in Fig. 6 Blöcke zeigen prin- s zipiell, wie eine derartige Schaltung verwirklicht werden kann. Der Mittelwertbildner 6 ist in Fig. 4 mit den ihn umgebenden Blöcken gemäss Fig. 3a dargestellt. Die dort wiedergegebene Innenschaltung des Blockes 6 kann aber auch ohne weiteres in einem anderen Mittelwertbildner 15 (siehe Fig. 1 a) verwendet io werden, der weiter unten näher beschrieben ist.

Die Mittelwertbildung der QRS-Komplexe von fetalem und maternellem EKG erfolgt durch exponentielle Mittelung nach den Formeln:

[1]

[2]

» _ n , U-l Mn ~ TT + —

M

M

n

M

n-1

+

U

n-1

(E -n

20

Mn-1>

Darin bedeuten:

Mn = Mittelwert zur Zeit tn 25

Mn-i = Mittelwert zur Zeit tn_]

En = EKG zur Zeit tn U = Mittelungskonstante

Die Mittelungskonstante bestimmt die Geschwindigkeit der Anpassung des gespeicherten Wertes an den gegenwärti- 30 gen Signalverlauf. Die Grösse U ist dabei so zu wählen, dass ein optimaler Kompromiss zwischen der Verbesserung des Rauschabstandes und der Zeitkonstanten der Anpassung des EKGs an die aktuelle Wellenform erzielt wird. Für die digitale Realisierung der Signalmittelung wird für U eine Zweiterpotenz 35 gewählt, weil sich hiermit der Algorithmus insbesonders einfacher Weise durchführen lässt. Fig. 6 gibt in schematischer Darstellung eine elektronische Schaltung zur Berechnung des Signalmittelwertes nach Formel [2] wieder. In einem Paralleladdierer wird nach der Methode des 2er Komplements die Dif- 40 ferenz gebildet. In einem weiteren Paralleladdierer 17 erfolgt die Bildung der Summe. Da U den Wert einer Zweierpotenz hat (U = 2n), kann die Division durch Rechtsschieben der Differenz um n Stellung durchgeführt werden. Die Division wird bei festem U fest verdrahtet durch entsprechende Verbindung der 45 einzelnen Bits zwischen den beiden Addierern. Auf ein Triggersignal vom Maximumdetektor 3 bzw. 3' hin (durch Pfeil angedeutet) wird jeweils die Mittelung durchgeführt. Die gewählte Ausführung ermöglicht bei geringem Aufwand eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit. Durch die dargestellte Methode 50 der exponentiellen Mittelung lässt sich das Signal/Rauschverhältnis um den Faktor y2U-1 verbessern.

Für eine praktische Ausführung in TTL-Technik kommen für die Paralleladdierer 16 und 17 integrierte Schaltungen vom Typ 7483, für den Inverter der Typ 7404 und für den (EKG-) 55 Speicher 5 und den Mittelwertspeicher 7 je nach Wortlänge die Typen 74 100,74 199 usw. infrage.

Im folgenden Abschnitt soll die Funktion eines in vorteilhafter Weise mit der erfindungsgemässen Vorrichtung verwendbaren Maximumdetektors näher erläutert werden, wie er 60 bereits an verschiedenen Stellen der Schaltung vorkommt. (In der Fig. 3a erscheinen die Maximumdetektoren 3 bzw. 3' und ein weiterer Maximumdetektor 18. Ausserdem befindet sich in Fig. 5 der Maximumdetektor 14 innerhalb der Subtraktionseinrichtung 8.) Grundsätzlich ist eine Realisierung in digitaler und 65 analoger Bauweise möglich. Die digitale Ausführung, wie sie beispielsweise dem Maximumdetektor 3 in Fig. 3 entspricht, ist in Fig. 7 wiedergegeben. Bei diesem Detektor erscheint das mit

«MAX» bezeichnete Signal am Ausgang, wenn drei zu unterschiedlichen Zeiten gemessene Spannungswerte des Eingangssignals den Wert der Triggerschwelle T1 überschritten haben. Es wird auf Null zurückgesetzt, wenn erneut für drei Messwerte die Triggerschwelle T1 unterschritten wurde. Letztere stellt eine veränderte Grösse dar, die an die Amplitude des Ein-gangssignals der Schaltung angepasst werden kann. Das betreffende EKG-Signal wird in digitalerisierter Form dem Eingang «EKG» eines digitalen Komparators 19 zugeführt und mit dem Wert der Triggerschwelle T1 verglichen. Überschreitet das EKG-Signal diese Triggerschwelle, so erscheint ein Signal am Ausgang «>», während beim Unterschreiten der Triggerschwelle ein Signal am Ausgang «<» abgegeben wird. Diese Signale werden jeweils Und-Gattern 20 und 21 zugeführt, an deren Ausgang der logische L-Pegel anliegt, wenn zusätzlich auch das 1-kHz-Taktsignal T diesen Pegel einnimmt.

Die Flip-Flop-Schaltungen 22 und 23 sowie 24 und 25 bilden zusammen mit Und-Gattern 26 bzw. 27 jeweils einen Zähler bis drei, wobei ein Zurücksetzen erfolgt, wenn der jeweils andere Zähler beim Erreichen von «drei» einen Impuls abgibt. Nur das Signal des die Überschreitungen festhaltenden Zählers (Flip-Flop-Schaltungen 22 und 23) wird dabei dem Ausgang zugeführt.

In Fig. 7b ist ein Analog-Maximumdetektor dargestellt, der Operationsverstärker 28 und 29 enthält sowie ein Und-Gatter 30. Das Eingangssignal «EKG» wird den beiden Operationsverstärkern über einen Tiefpass 31 bzw. über ein Differenzierglied 32 zugeleitet. Der Triggerschwellwert T1 liegt als Referenzpegel am negativen Eingang des Operationsverstärkers 28 an, während der entsprechende Eingang des Operationsverstärkers 29 auf Massepotential liegt. Der logische L-Pegel erscheint am Ausgang des Und-Gatters 30, wenn das Signal «EKG» für eine hinreichende Zeitdauer den Amplitudenwert von T1 überschreitet und eine Steigung von Null aufweist. Insgesamt tritt also die gleiche Wirkung ein wie bei dem digital arbeitenden Maximumdetektor: T1 muss bei mehreren Punkten des zeitlichen Verlaufs des Eingangssignals «EKG» überschritten worden sein, wobei Voraussetzung ist, dass dieses einen Extremwert angenommen hat.

Bei der Schaltung gemäss Fig. 3b werden einige der im vorangehenden beschriebenen Auswertungsfunktionen von einem Mikroprozessor 33 ausgeführt. Die den Blöcken 1 bis 4 entsprechenden Baugruppen sind mit denen der in Fig. 1 a dargestellten Schaltung identisch. In der Peripherie des Mikroprozessors 33 sind der Mittelwertspeicher 7 und der Dividierer 9 vorgesehen, die ebenfalls im wesentlichen die selben Funktionen wie in der Schaltung gemäss Fig. 3a bzw. 3c übernehmen, aber hinsichtlich der Datenaufbereitung den speziellen, in der Schaltung verwendeten Mikroprozessor angepasst sind. Am Ausgang des Mikroprozessors 33 erscheint das vom maternellen Anteil befreite fetale Herzsignal.

Die Programmierung des Mikroprozessors 33 erfolgt entsprechend dem in Fig. 4 dargestellten Flussdiagramm, das allgemein eine bevorzugte Ausführung eines Programms wiedergibt, das auch den in anderen Techniken (diskret, TTL, CMOS usw.) ausgeführten Vorrichtungen in dieser oder ähnlicher Form zugrunde gelegt werden kann.

Vom Anfangspunkt «Start» 101 geht der Programmablauf über das Rücksetzen aller Zähler und Speicher in Block 102, der gleichzeitig der Einmündungspunkt für eine Programmschleife ist, zum Block 102, bei dem in einer Zykluszeit von 1 ms (entsprechend einer Abtastzeit von 1 kHz) ein Spannungswert des abdominal abgeleiteten EKG eingelesen wird. In einer Verzweigungsanweisung 104 wird der Wert eines Flag E geprüft. Ist E gleich null, was gleichbedeutend damit ist, dass kein mater-neller QRS-Komplex erkannt worden und gerade abgehandelt wird, so wird in einer weiteren Verzweigung 105 überprüft, ob das Eingangssignal «EKG» die Triggerschwelle T1 überschrei-

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tet (entsprechend der Funktion des zuvor beschriebenen Maximumdetektors). IstT 1 nicht überschritten, so wird in einer Verzweigung 111 geprüft, ob die Grösse K 1 (entsprechend der Zahl der erkannten maternellen Komplexe) grösser als drei ist. Ist das nicht der Fall, so springt der Programmablauf zurück nach Block 103. Hat der Wert von EKGmax die Triggerschwelle T1 überschritten, so folgt bei der Verzweigung 105 ein Programmblock 106. Da das Überschreiten der Triggerschwelle T 1 gleichbedeutend damit ist, dass ein materneller QRS-Komplex erkannt wurde, wird das Flag E gleich eins gesetzt und die Grösse Kl-, also von null auf eins gesetzt. Wenn E gleich eins ist, brauchen die nachfolgenden EKG-Werte die Triggerschwelle T1 nicht mehr zu überschreiten, der Programmablauf erfolgt direkt von Block 104 zu einem jetzt folgenden Block 107, in dem die Mittelung des maternellen EKGs, wie bei dem bereits beschriebenen Mittelwertbildner, vorgenommen wird. Die Mittelung erfolgt für jeden abgetasteten EKG-Wert einzeln. Im nächsten Block 108 erfolgt die Subtraktion des gemittelten Wertes EKGmax von dem aktuellen Messwert, wobei die Subtraktion mit Amplitudenanpasung, wie anhand Fig. 5 beschrieben, erfolgen kann. In der nachfolgenden Verzweigung 109 wird geprüft, ob bereits für den gesamten zu erwartenden Verlauf eines maternellen QRS-Komplexes die beschriebene Mittelung und Subtraktion erfolgt ist. Zu diesem Zweck wird die Anzahl der Messwerte gezählt, die eingelesen wurden, seitdem das Flag E von null auf eins gesetzt wurde. Erreicht die Zahl der Messwerte 256, gilt die Erfassung eines maternellen QRS-Komplexes als abgeschlossen und der Programmablauf geht von der Verzweigung 109 zum Block 110, bei dem das Flag E wieder auf null gesetzt wird, so dass zum erneuten Aktivieren des Subtraktionsvorgangs wiederum ein Überschreiten der Triggerschwelle T1 durch das Eingangssignal notwendig ist.

Die Zahl der Mittelungen des maternellen Komplexes EKGmat. die überschritten sein muss, damit zur Befreiung des abdominal abgenommenen Herzsignals von dem maternellen Anteil ein gesicherter Mittelwert des maternellen Komplexes zur Verfügung steht, wird zweckmässigerweise grösser als drei gewählt. Bei dem in Fig. 4 wiedergegebenen Programmablauf ist aus Darstellungsgründen K 1 mit drei angenommen worden. Die Mittelungskonstante für die exponentielle Mittelung von EKGmat ist zweckmässigerweise grösser oder gleich acht.

Wählt man für U wegen der günstigen Berechnung bei digitaler Signalverarbeitung eine 2er Potenz, so ist U = 16 ein bevorzugter Wert. Bei der Subtraktion (Block 108) wird jeweils das beim vorhergehenden Zyklus gemittelte Mustersignal zugrundegelegt, damit der aktuelle Abschnitt des Signalverlaufs nicht die Unterdrückung des maternellen Herzsignals beeinflusst, da sonst die Gefahr besteht, dass das gesuchte fetale Herzsignal mit unterdrückt wird. Die Anpassung der Amplitude des Mittelwertes an die Amplitude des Eingangssignals trägt wesentlich zur Verbesserung der Signalauswertung bei, da sich insbesondere zu Beginn der Mittelungsprozedur das Muster und der momentan vorliegende QRS-Komplex in ihrer Amplitude beträchtlich unterscheiden können. Dadurch, dass pro Zyklus jeweils nur ein Messwert aus dem Signalabschnitt subtrahiert und gemittelt wird, ist eine besonders wirtschaftliche geräte-mässige Realisierung möglich, da die erforderliche Rechengeschwindigkeit reduziert ist.

Anhand von Fig. 3a soll jetzt der prinzipielle Ablauf der weiteren Signalverarbeitung erläutert werden. Das von dem maternellen QRS-Komplex befreite abdominal aufgenommene Herzsignal wird einem Speicher 34 zugeleitet, bei dem sich die weitere Verarbeitung verzweigt. Einerseits wird es einem Korrektor 35 zugeführt, der in Abhängigkeit vom Ablauf des Verfahrens - wie noch im einzelnen erläutert werden wird -sowohl eine Auto- als auch eine Kreuzkorrelation rechnerisch durchführen kann. Die Mittelwertbildner 15 erzeugt ein Muster des fetalen EKGs in ähnlicher Weise wie der Mittelwertbildner

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6 ein Muster des maternellen QRS-Komplexes erzeugt hat. Der errechnete Mittelwert des fetalen EKGs wird in einem Mittelwertspeicher 36 festgehalten. Die darin enthaltenen Werte werden durch den Korrektor 35 zur Bildung der Kreuzkorrela-5 tionsfunktion mit dem Eingangssignal verwendet. Der Maximumdetektor 18, welcher mit dem Ausgang des Korrektors 35 verbunden ist, stellt die Maxima der Korrelationsfunktion fest, was gleichbedeutend mit dem Auftreten eines fetalen QRS-Komplexes ist, und triggert damit die Mittelwertbildung des i° fetalen Elektrokardiogramms im Mittelwertbildner 15. Die Mittelwertbildung selbst erfolgt wieder exponentiell. In der Anlaufphase, wenn der Mittelwert des fetalen EKGs noch nicht herangezogen werden kann, wird durch den Korrektor 35 die Autokorrektionsfunktion gebildet und beim Auftreten eines 's Maximums der Mittelwertbildner 15 in Funktion gesetzt. Nach Beendigung dieser Anlaufphase, wenn der errechnete Mittelwert dem tatsächlichen fetalen EKG mit hinreichender Genauigkeit als Muster angenähert ist, wird durch den Korrektor 35 die Kreuzkorrektionsfunktion des EKGs mit dem durch 20 exponentielle Ermittlung gewonnenen Muster als Referenzsignal gebildet. Aus dem zeitlichen Abstand der Maxima der Auto- und der Kreuzkorrektionsfunktion wird in dem Funktionsblock 37 die fetale Herzfrequenz ermittelt.

Werden geringere Anforderungen an die Zuverlässigkeit 25 gestellt, so lässt sich die Erkennung des fetalen QRS-Komple-xes auch ohne Korrektion durchführen. In diesem Fall wird das vorverarbeitete Signal direkt dem Maximumdetektor 18 zugeführt, es besteht also eine direkte Verbindung zwischen den Blöcken 34 und 18 unter Auslassung der Blöcke 15,35 und 36. 30 In Fig. 8 ist ein Blockschaltbild eines Korrektors zur Anwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung wiedergegeben. Das von dem maternellen Anteil befreite Signal EKGfet gelangt gleichzeitig zu einem Multiplexer 38 und zu einem in TTL-Technik aufgebauten schnellen Multiplizierer 39 zwecks 35 Bildung der Autokorrektionsfunktion. Um auch eine Kreuz-korrelation erzeugen zu können, wird dem anderen Eingang des Multiplexers 38 der Mittelwert des fetalen Herzsignals EKGfet aus dem Mittelwertspeicher 36 zugeführt. Die Produktbildung erfolgt also alternierend. Das jeweilige Korrelationsin-40 tegral selbst wird durch einen auf den Multiplizierer 39 folgenden Addierer 40 errechnet und dem Maximumdetektor 18 in Fig. 3a zugeführt.

In Fig. 9 ist die Bildung der Kreuzkorrektionsfunktion zwischen gespeichertem Mustersignal und aufgenommenem Herz-45 signal am Beispiel des fetalen EKG schematisch wiedergegeben. Mit «Datenfenster» ist der bei der Integration erfasste zeitliche Bereich bezeichnet, wobei sich für aufeinanderfolgende Interpretationen der Signalverlauf s(t) in Pfeilrichtung in bezug auf das Datenfenster verschiebt. Die Bildung der Korre-5o lationsfunktionen kann nach Methoden erfolgen, wie sie in der Technik bekannt sind und beispielsweise bei dem Modell 3721 A Correlator der Firma Hewlett-Packard verwendet wird.

Bei einer unter Verwendung von Mikroprozessoren aufgebauten Vorrichtung gemäss Fig. lb, erfolgt die Signalverarbei-55 tung entsprechend. Ein Mikroprozessor 41 erhält Eingangssignale aus dem Block 34 und steht mit dem Mittelwertbildner, dem Mittelwertspeicher für EKGfet und dem Korrektor 35 in Verbindung. Diese Einheiten sind selbstverständlich ebenfalls dem verwendeten Mikroprozessor angepasst. Dieser kann bei-60 spielsweise im Time-sharing-Verfahren die für die verschiedenen Stufen notwendigen Berechnungen durchführen und dazu Signalwerte abrufen. Aus den zur Verfügung gestellten Daten errechnet er nach einem eingegebenen Programm die fetale Herzfrequenz.

65 In den Programmblöcken 112 bis 123 gemäss Fig. 2 ist der Ablauf einer Korrektionsanalyse dargestellt, wie er auch für die Verwendung eines Mikroprozessors oder allgemein in einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage geeignet ist. Auf das

11

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Vorliegen eines fetalen QRS-Komplexes wird geschlossen, wenn der Wert der Korrelationsfunktion eine Triggerschwelle T 2 überschreitet. Es ist zweckmässig, wenn diese Triggerschwelle T 2 sich den wechselnden Signalamplituden anpasst, da nur auf diese Weise eine sichere Erkennung gewährleistet ist. Da die Form und die Amplitude des fetalen Elektrokardiogramms jedoch à priori nicht bekannt sind, kann ein Amplitudenwert für die Triggerschwelle T 2 nicht von vorn herein angegeben werden. Vor der Durchführung auswertbarer Messungen wird zunächst einmal in dem von dem maternellen Komplex befreiten Signalgemisch nach dem fetalen Komplex für einen bestimmten Zeitraum gesucht und deren Maximum bestimmt. Für diesen Vorgang wird der Zeitraum zwischen drei aufeinanderfolgenden maternellen QRS-Komplexen benutzt. Lässt man nämlich zunächst den Programmablauf zwischen den Punkten A und B im Flussdiagramm gemäss Fig. 2 unbeachtet, so gelangt der Programmablauf von der Verzweigung 111 zu einer Verzweigung 112, wenn die Zahl der ermittelten maternellen Komplexe (K1) grösser als drei ist. In der Verzweigung 112 wird geprüft, ob die Zahl der festgestellten fetalen Komplexe (K 2) grösser als sechs ist. Unter der Annahme, dass der Programmablauf sich erst im Anfangsstadium befindet, so dass noch kein fetales Herzsignal ermittelt wurde, folgt eine Berechnung der Autokorrelationsfunktion des vom maternellen Anteil befreiten Signalgemisches in Block 114. Von dieser Autokorrelationsfunktion werden gemäss Verzweigung 115 und Block 116 die Maxima solange bestimmt bis der fünfte maternelle Komplex (K 1 = 5) gefunden wurde. Die Autokorrelationsfunktion wird nur für eine Verzögerung nämlich x = 0 aus einem Signalintervall von 200 ms berechnet. Zur Festlegung und Beeinflussung der Triggerschwelle T 2 dient unter anderem der zwischen den Punkten A und B ablaufende Programmteil. Wenn der fünfte maternelle Komplex ermittelt wurde, K 1 also gleich fünf ist, verläuft das Programm über eine Verzweigung 124 zu Block 125 und der Amplitudenwert der Triggerschwelle T 2 wird auf den halben Wert des während der Zeit zwischen dem dritten und dem fünften maternellen Komplex aufgetretenen grössten Maximums der Autokorrelationsfunktion gesetzt.

Bei der nun folgenden Signalverarbeitung wird immer noch über die Verzweigung 112 und Block 114 die Autokorrelationsfunktion berechnet, da aber die Zahl der maternellen Komplexe inzwischen die Zahl fünf erreicht hat, wird in einer Verzweigung 117 geprüft, ob das Maximum der gebildeten Korrelationsfunktion (KFmax) den Wert der Triggerschwelle T 2 - die ja auf die Hälfte des Wertes der zuvor gebildeten Autokorrelationsfunktion festgesetzt war - überschreitet. Ist das nicht der Fall, so geht der Programmablauf zu Block 103 zurück. Liegt aber einer Überschreibung vor, so wird in Block 118 zunächst die Triggerschwelle ebenfalls durch exponentielle Mittelung dem Amplitudenverlauf des Signals nachgeführt. T 2 wird dabei so eingestellt, dass es jeweils die Hälfte des Wertes des mittleren Korrelationsmaximums annimmt. Dadurch wird auch hier die Empfindlichkeit des Systems den tatsächlichen herrschenden Signalverhältnissen optimal angepasst. Aus der Korrelationsfunktion werden in einem Block 119 die fetale Herzfrequenz (FHF) und weiterhin auch die maternelle Herzfrequenz (MHF) berechnet. Gemäss Block 120 wird eine exponentielle Mittelung des fetalen Herzsignals durchgeführt und in einem Mittelwertspeicher festgehalten. Dieses Muster dient zur späteren Berechnung der Kreuzkorrelationsfunktion mit dem aktuellen Signal in Block 113. Somit ist ein fetales Herzsignal ermittelt worden und der Wert von K 2, der die Zahl der ermittelten fetalen Komplexe angibt, wird gemäss Block 121 um eins heraufgesetzt.

Nach einer weiteren Anlaufzeit ist das durch Mittelwertbildung errechnete Muster des fetalen Herzsignals genau genug, um als Referenzsignal zur Berechnung der Kreuzkorrelationsfunktion des fetalen Elektrokardiogramms zu dienen. Als ausreichend wurde das Auftreten von sieben fetalen QRS-Komplexen angesehen. Ist also K 2 grösser als sechs, so erfolgt von der Verzweigung 112 aus der Programmablauf zu Block 113 und es s wird fortan die Kreuzkorrelationsfunktion in der beschriebenen Weise ermittelt. Da bei einer gewählten Mittelungskonstanten von U = 16 nach sieben Durchläufen die Amplitude des errechneten Musters des fetalen Herzsignals noch nicht auf seinen Endwert angewachsen ist, nehmen die Maxima der Kreuz-io korrelation zunächst einen kleineren Wert an als die der zuvor berechneten Autokorrelationsfunktion. Deshalb ist es vorgesehen, bei dem Übergang von der Berechnung der Autokorrelationsfunktion auf die Kreuzkorrelationsfunktion die Triggerschwelle T 2 auf den halben Wert herabzusetzen. Das wird so i5 vorgenommen, dass für K 2 = 7 der Programmablauf von einer Verzweigung 122 aus zu einem Block 123 verläuft, wo die erwähnte Herabsetzung der Triggerschwelle T 2 erfolgt.

Nimmt die Amplitude des fetalen Herzsignals während der Analyse so schnell ab, dass die Mittelwertbildung der Trigger-20 schwelle T 2 in Block 148 nicht folgen kann, oder verändert es seine Form, so überschreitet die Amplitude der Korrelationsfunktion nicht mehr die Triggerschwelle T Î. In diesem Fall wird der Wert von T 2 jeweils auf das 0,75fache seines Wertes zurückgenommen, wenn 900,1800 und 2700 ms lang kein feta-251er QRS-Komplex mehr erkannt wurde. Wurde die Triggerschwelle für 3,6 s nicht überschritten, dann werden alle Parameter und Muster gelöscht und der Algorithmus neu gestartet. Die hierfür erforderliche Darstellung des Programmablaufs ist in den Funktionsblöcken 126 bis 132 zwischen den Punkten A und 30 B in Fig. 2 enthalten. Die Zurücksetzung der Triggerschwelle T 2 auf das 0,75fache ihres Wertes erfolgt in den Blöcken 127, 129 und 131, nachdem die betreffenden Zeiten ohne Überschreitung der Triggerschwelle abgelaufen sind in Abhängigkeit von Verzweigung 126,128,130, denen die betreffenden Zei-35 ten, wie aus Fig. 4 ersichtlich, zugeordnet sind.

In Fig. 3c ist eine Variante der beiden Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung dargestellt, wobei sich diese Variante von den bisher dargestellten Ausführungsformen in der Art und Weise der Ermittlung des Mittelwertes des 40 maternellen EKGs und der Ermittlung des Skalierfaktors K bei der Subtraktion des gespeicherten Mittelwerts vom aktuellen Signalverlauf unterscheidet.

Die in Fig. 3c dargestellten Stufen ersetzen die Stufen 3 bis 9 in Fig. 3a. Die grundsätzliche Funktion der dargestellten Bau-45 gruppen entspricht denjenigen der Baugruppen 15,18 und 34 bis 36 in Fig. 3a mit dem Unterschied, dass nicht das fetale Elektrokardiogramm ermittelt und zwecks Errechnung der fetalen Herzfrequenz festgehalten wird, sondern das maternelle, welches vom Eingangssignal zwecks Störbefreiung abgezogen so wird. In der grundsätzlichen Signalverarbeitung bezüglich der erstmaligen Erkennung des Herzsignals und der laufenden Verbesserung bzw. Anpassung durch Mittelwertbildung bestehen keine Unterschiede (Stufen die hinsichtlich ihrer Funktion mit entsprechenden Stufen der bisher beschriebenen Ausführungs-55 beispiele übereinstimmen, sind mit identischen Bezugszeichen versehen).

Das Eingangssignal gelangt wiederum über einen Analog-Digital-Converter 4 zu einem Speicher 5 in dem jeweils ein Ausschnitt aus dem Verlauf des aktuellen Eingangssignals gespei-6o chert wird. Mittels des Korrelators 35', der entsprechend dem in Fig. 8 dargestellten aufgebaut ist -, wobei das Eingangssignal lediglich von den Stufen 5 und 7 anstelle der Stufen 34 und 36 abgeleitet wird. (Das maternelle Herzsignal tritt jeweils an die Stelle des fetalen.) Entsprechend wird in einem Anfangszeit-65 räum der Messung das Maximum der Autokorrelationsfunktion ermittelt und das dazugehörige Herzsignal im Mittelspeicher 7 festgehalten. Anschliessend wird das gemittelte Signal getrig-gert durch das Maximum der Kreuzkorrelationsfunktion,

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jeweils mit einem neuen maternellen Herzsignal durch Mitte- unter dem Einfluss von Störungen mitunter Nebenmaxima der lung verbessert, wobei die Funktion des Mittelwertspeichers 7 KF die Schwelle bereits übersteigen und zu einer Fehltrigge-

derjenigen der Stufe 7 in Fig. 3a entspricht. rung führen. Um dies zu vermeiden, wird vorteilhafterweise

Ein weiterer Unterschied gegenüber der in Fig. 3a darge- jeweils innerhalb eines Zeitraumes von 100 ms nach Auftreten stellten Ausführungsform besteht bei dieser Variante der erfin- s eines Maximums nach einem weiteren, höheren Maximum dungsgemässen Vorrichtung darin, dass in der Amplitudenan- gesucht. Hierzu wird jeweils nach Erkennung eines Maximums passungseinrichtung 8', die dazu dient, den zu subtrahierenden die Triggerschwelle T 2 auf den Wert dieses Maximums

Verlauf des mütterlichen Elektrokardiogramms an die tatsäch- gesetzt, bis ein oder mehrere weitere Maxima gefunden wur-

liche Amplitude des Eingangssignals anzupassen, so dass dieser den. Nach dem Ablauf einer Zeit von 100 ms nach Entdeckung

Signalanteil aus dem Signalgemisch beseitigt wird. Die io des höchsten Maximums wird T 2 wieder auf seinen normalen benutzte Schaltung unterscheidet sich von der in Fig. 5 wieder- Wert zurückgesetzt.

gegebenen Amplitudenanpassungseinrichtung 8 lediglich Voraussetzung bei der Mittelwertbildung des fetalen und dadurch, dass anstelle der Grössen Mmax (Stufe 14) und Emax maternellen EKGs ist, dass die gebildete und gespeicherte

(Stufe 3) die Autokorrelationsfunktion und die Kreuzkorrela- Musterfunktion und der aktuelle Signalverlauf bei der punkt-

tionsfunktion verarbeitet werden, wobei abwechselnd einer- is weisen Abtastung nicht zeitlich gegeneinander versetzt sind,

seits der Quotient K der beiden Grössen gebildet und anderer- Deshalb werden bei der Mittelung des maternellen Herzsignals seits der in Stufe 7 gespeicherte Mittelwert des maternellen ständig Muster und aktuelles Signal nach ihrem Maximalwert

EKGs durch diesen Wert K dividiert wird. Die Subtraktionsein- abgefragt. Die Mittelung erfolgt nur dann, wenn beide Signale richtung 9 entspricht damit in ihrer Funktion wieder genau der gleichphasig sind, d. h. die Maxima zeitlich übereinstimmen. Die in Fig. 3a dargestellten. Die mathematische Ableitung für die 20 Mittelung des fetalen Herzsignals wird beim Vorliegen eines

Erzeugung des Skalierfaktors K bei dieser Variante ist bereits Maximums von der Korrelationsanalyse getriggert. Während weiter oben wiedergegeben. Vorteilhaft ist dabei, dass der vor- bei Berechnung der Kreuzkorrelationsfunktion die Phasen-

handene Korrektor 35 ' für zwei verschiedene Funktionen aus- gleichheit sichergestellt ist, kann bei Benutzung der Autokorre-

genutzt werden kann, wobei die zeitliche Steuerung im Sinne lationsfunktion eine Phasenverschiebung auftreten. Um in die-

eines Multiplexbetriebs bekannt ist. 25 sem Fall eine Fehltriggerung zu vermeiden, werden während

Eine zusätzliche Vereinfachung ergibt sich, wenn die der Analyse mittels Autokorrelation zusätzlich Muster und beschriebene Variante auf die in Fig. 3b dargestellte Ausfüh- Signal nach ihren Maximalwerten abgefragt. Zur Mittelung rungsform übertragen wird. Hierbei ist die Funktion des Mikro- werden dann die beiden Maxima synchronisiert.

Prozessors 33 lediglich durch die des Korrektors 35' in Fig. 3c im Vorangehenden wurde die erfindungsgemässe Vorrich-zu ergänzen. Die Stufe 3' entfällt, weil die Maximumerkennung 30 tung am Beispiel der Erkennung von fetalen Herzsignalen in bezüglich der KKF (bzw. im Anfangszustand der AKF) durch einem abdominal abgeleiteten Signalgemisch von maternellen die Mikroprozessorschaltung selbst übernommen wird. Da das und fetalen Herzsignalen dargestellt, wobei die maternellen Verfahren zur Detektion bezüglich des maternellen Herz- Signale die fetalen hinsichtlich ihrer Amplitude weitaus über-signals demjenigen bezüglich des fetalen Herzsignals ent- treffen. Die dargestellte Vorrichtung weist aber auch bei der spricht, kann bei der Programmierung der Mikroprozessor- 35 Erkennung von vielen anderen Arten von überdeckten Signaschaltung auf den in Fig. 4 zwischen den Stufen von 112 und 120 ien> bei denen eine ähnliche Problemstellung zugrundeliegt, wie dargestellten Signalverlauf zurückgegriffen werden. Die Funk- beispielsweise bei myographisch abgeleiteten Signalen,

tion der Korrektoren 35' und 35 kann dabei in vorteilhafter wesentliche Vorteile auf. Die Anpassung und Auswahl einzel-

Weise ebenfalls von einer einzigen Funktionsgruppe übernom- ner vorteilhafter Weiterbildungen der Vorrichtung, die sich für men werden, die im Multiplex-Betrieb arbeitet. 40 die betreffende Problemstellung besonders gut eignen, und ins-

Bei der Erkennung der fetalen QRS-Komplexe durch die besondere bei schwankenden Signalamplituden auf die beson-

Bestimmung der Maxima der Korrektionsfunktion sind einige dere Art und Weise dieser Schwankung angepasst sein können,

Besonderheiten zu beachten. Durch die Berechnung der KF bleiben dabei dem Fachmann überlassen. Die jeweiligen beson-

wird das S/R-Verhältnis des Signals beträchtlich verbessert, deren Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile ergeben sich ganz können die Störanteile jedoch nicht unterdrückt werden. 45 aus der vorhergehenden Beschreibung am Beispiel der Erken-

Da wegen der Schwankungen der Amplitude des fetalen Herz- nung fetaler Herzsignale, da sich die betreffenden Probleme signais und damit der Korrektionsfunktion die Trigger- und die daraufhin gefundenen Lösungsmöglichkeiten ohne wei-

schwelle T 2 relativ niedrig gehalten werden muss, können teres verallgemeinern lassen.

G

6 Blatt Zeichnungen

Claims (22)

1. 632848 2

   PATENTANSPRÜCHE ausgeführt wird, wenn für einen vorbestimmten Zeitraum

   1. Vorrichtung zur Detektion von in Abständen auftreten- Mittelungen des Amplitudenverlaufs der Störsignale vorge-den, untereinander ähnlichen Signalen in einem Störanteile ent- nommen wurden.

   haltenden Signalgemisch, insbesondere für Diagnosezwecke 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10,

   zur Entdeckung von QRS-Komplexen fetaler Herzsignale im 5 dadurch gekennzeichnet, dass durch die Mittel (15,18,34,35, abdominal abgeleiteten feto-maternellen Elektrokardiogramm, 36) zur Anpassung des Amplitudenverlaufs die Mittelung für dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicher (36) zum Festhalten einen vorbestimmten Zeitraum mit Signalen, die ausschliesslich eines nach einem ersten Kriterium erkannten Signals in seinem nach dem ersten Kriterium erkannt wurden, vorgenommen

   Amplitudenverlauf vorgesehen ist, und dass zur Identifikation wird, ehe zur Signalerkennung das zweite Kriterium herange-

   nachfolgender Signale nach einem zweiten Kriterium Ver- io zogen wird.

   gleichermittel vorgesehen sind, welche ein das zweite Krite- 12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden rium bildendes Signal abgeben, wenn das Mass der Überein- Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kriterium Stimmung des jeweils anliegenden Signals mit dem Amplituden- darin besteht, dass der Amplitudenverlauf und/oder die Autoverlauf des festgehaltenen Musters einen vorgegebenen Wert korrelationsfunktion des Signalgemisches einen vorgegebenen überschreitet. 15 Schwellwert überschreitet und/oder ein Maximum bildet.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden dass Mittel (15,36) vorgesehen sind, welche das als Muster fest- Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Krite-

   gehaltene Signal in seinem Amplitudenverlauf fortwährend an rium darin besteht, dass die Kreuzkorrelationsfunktion, gebil-

   die aktuelle Signalform anpassen. det aus dem Signalgemisch und dem zeitlichen Verlauf des fest-
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, 20 gehaltenen Musters einen vorgegebenen Schwellwert über-dass die Mittel ( 15,36) zur Anpassung des Amplitudenverlaufs schreitet und/oder ein Maximum bildet.

   des als Muster festgehaltenen Signals an die Form später nach 14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden dem ersten und/oder zweiten Kriterium erkannter Signale Mit- Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (8) zur Anpas-

   tel ( 15) zur M ittelung der einander entsprechenden Amplitu- sung der Amplituden von im Speicher festgehaltenen Signalen denwerte des gespeicherten und des später erkannten Signals 25 bei der Prüfung auf Übereinstimmung oder bei der Subtraktion und einen Speicher (36) für den gemittelten Amplitudenverlauf an die Amplitudenwerte des Signalgemisches vorgesehen sind,

   aufweisen. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich-
4. 4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, net, dass bei der Anpassung die Maximalwerte der Amplituden dadurch gekennzeichnet, dass den Signalerkennungsmitteln aneinander angeglichen werden.

   Mittel (2) zur Beseitigung von Störanteilen aus dem Signalge- 30 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15,

   misch vorgeschaltet sind. dadurch gekennzeichnet, dass ein Kriterium für ein Maximum
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, des Amplitudenverlaufes dies ist, dass eine vorgegebene dass die Mittel zur Beseitigung von Störanteilen aus einem Fil- Anzahl von Amplitudenwerten einen vorgegebenen Schwell-ter (2) zum Ausfiltern vorbestimmter Frequenzanteile beste- wert überschreiten und ein Extremwert festgestellt wurde, hen. 35 17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16,
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Schwellwert dass vorgesehen sind: Mittel (3,3') zum Erkennen eines ersten entsprechend der mittleren Amplitude des Signalgemisches von in Abständen auftretenden, untereinander ähnlichen Stör- veränderbar ist.

   Signalen nach dem ersten Kriterium, ein Speicher (5) zum Fest- 18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17,

   halten des Störsignals in seinem Amplitudenverlauf und Mittel 40 dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (8,8') zur Anpassung des

   (9) für dessen amplitudenmässig phasenrichtiges Subtrahieren, vorgegebenen Schwellwerts der mittleren Amplitude des im wenn das Auftreten eines weiteren gleichartigen Störsignals im Signalgemisch enthaltenen und zu beseitigenden Störsignals

   Signalgemisch entdeckt ist. vorgesehen sind.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, 19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich-dass Mittel zur Entdeckung des Auftretens eines weiteren Stör- 45 net, dass Mittel zur Ermittlung eines Skalierfaktors für die signais nach dem zweiten Kriterium vorgesehen sind, das in Amplitude des Störsignals aus dem Verhältnis der Kreuzkorre-dem Mass der Übereinstimmung des Signalgemischs mit dem lationsfunktion des als Muster festgehaltenen Signals und dem Amplitudenverlauf des im Speicher (5) festgehaltenen Stör- Signalgemisch zur Autokorrelationsfunktion des als Muster signais besteht. festgehaltenen Signals vorgesehen sind.
8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch 50 20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich-gekennzeichnet, dass zur Beseitigung von untereinander ähnli- net, dass Mittel zur Ermittlung eines Skalierfaktors für die chen Störsignalen, die einer zeitabhängigen Variation unter- Amplitude des Störsignals aus dem Verhältnis der Kreuzlei-worfen sind, Mittel (6,7) vorgesehen sind, welche das als stung des als Muster festgehaltenen Signals und dem Signalge-Muster festgehaltene Signal in seinem Amplitudenverlauf fort- misch zur Leistung des als Muster festgehaltenen Signals vorwährend an die aktuelle Signalform des Störsignals anpassen. 55 gesehen sind.
9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch 21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, gekennzeichnet, dass Mittel (6,7) vorgesehen sind, welche eine dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Schwellwert verbesserte Anpassung des Amplitudenverlaufs des als Muster entsprechend der Amplitude der in dem Speicher festgehaltefestgehaltenen Störsignals an die Form später nach dem ersten nen Signale veränderbar ist.

   und/oder zweiten Kriterium erkannter Störsignale durch Mitte- 60 22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 21,

   lung der einander entsprechenden Amplitudenwerte des dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Schwellwert gespeicherten und des später erkannten Störsignals und ein entsprechend der Amplitude der ermittelten Korrelationsfunk-

   Einspeichern des gemittelten Amplitudenverlaufs bewirken. tion veränderbar ist.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, 23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 22,

    dass durch die Mittel (6 bis 9), welche eine verbesserte Anpas- es dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Verminderung des sung des Amplitudenverlaufs des als Muster festgehaltenen vorgegebenen Schwellwerts in seiner Amplitude vorgesehen

    Störsignals bewirken, erst dann eine Subtraktion des gespei- sind, welche ansprechen, wenn für einen bestimmten Zeitraum cherten Störsignals und eine nachfolgende Signalerkennung keine Überschreitung des Schwellwertes stattfindet.

    3 632848
11. 24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 23, Methoden einer indirekten Ableitung des fetalen EKGs von dadurch gekennzeichnet, dass Anpassungsmittel für die Ampli- der Mutter zurückgegriffen werden, wenn eine effektive Über-tude des vorgegebenen Schwellwerts vorgesehen sind, welche wachung des Feten durchgeführt werden soll. Die vom Abdo-ansprechen, wenn nach einer Auswertung der Autokorrela- men der Mutter abgeleiteten elektrischen Signale weisen tionsfunktion als erstes Kriterium auf eine auf eine Auswertung 5 jedoch ein äusserst ungünstiges Signal/Stör-Verhältnis auf, so der Kreuzkorrelationsfunktion als zweites Kriterium übergan- dass mit den Mitteln der bisher angewandten Filtertechniken gen wird. das Auftreten von fetalen QRS-Komplexen nur mit einer Ent-
12. 25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 24, deckungsquote von etwa 50% ermittelt werden kann. Da diese dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelung exponentiell Quote höchstens zu einer Anzeige der mittleren fetalen Herzerfolgt. io frequenz ausreicht, steht dem Arzt bisher weder eine ausrei-
13. 26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeich- chende Information über die Mikrofluktuation, d. h. die kurzfri-net, dass die Mittelungskonstante eine ganzzahlige Potenz von stigen Schwankungen der Herzfrequenz, noch über die Wellenzwei ist. form des fetalen EKGs zur Verfügung.
14. 27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeich- Als Störungen des fetalen EKGs treten das maternelle net, dass die Mittelungskonstante sechzehn ist. 15 EKG, das maternelle Elektromyogramm und Rauschsignale
15. 28. Vorrichtung nach einem der vorangehenden auf. Ihre Amplituden liegen wesentlich über denjenigen des Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswer- fetalen Elektrokardiogramms, dessen maximale Amplitude bei tung für einzelne Amplitudenwerte des jeweiligen Signalver- der Aufnahme mittels abdominaler Elektroden 10 bis 50 |iV Iaufs getrennt und durch wiederholte Vornahme der jeweiligen beträgt. Die Amplitude des fetalen EKGs ändert sich jedoch Berechnung vorgenommen wird. 20 stark nach Lage des Feten in Bezug auf die Elektroden.
16. 29. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Das abdominale Signal setzt sich wie folgt zusammen: Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen S(t) = D(t) • [E({t) + Em(t) + N(t)]

    sind, welche eine Mittelung des Mustersignals und des erkann- S(t) = abdominales Signal ten Signals dann auslösen, wenn ihre Amplitudenmaxima zu D(t) = multiplikative Verzerrung gleichen Zeiten auftreten. 25 Ef(t) = fetales EKG
17. 30. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche Em(t) = maternelles EKG

    zur Entdeckung von QRS-Komplexen fetaler Herzsignale im N(t) = Rauschen und maternelles Elektromyogramm abdominal abgeleiteten feto-maternellen Elektrokardiogramm, Die Störungen Em(t) und N(t) sind dem EKG additiv überla-

    dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Ermitteln der fetalen gert. Die zusätzlichen multiplikativen Verzerrungen rühren in Herzfrequenz aus dem zeitlichen Abstand der Maxima der 30 erster Linie von auftretenden Bewegungen her. Ihr Einfluss ist errechneten Korrelationsfunktion vorgesehen sind. jedoch so gering, dass sie bei der weiteren Betrachtung in guter
18. 31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeich- Näherung vernachlässigt werden können, so dass sich ergibt: net, dass Zählmittel vorgesehen sind zum Festlegen des vorbestimmten Zeitraums durch das Auftreten einer Anzahl mater- S(t) = Ef(t) + Em(t) + N(t)

    neller QRS-Komplexe. 35
19. 32. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeich- Die Wellenformen der einzelnen Komponenten sind im net, dass Zählmittel vorgesehen sind zum Festlegen des vorbe- voraus nicht bekannt, und unterliegen häufig sogar innerhalb stimmten Zeitraums durch das Auftreten einer Anzahl fetaler des Zeitintervalls der Signalverarbeitung Schwankungen, die QRS-Komplexe. eine Auswertung beträchtlich erschweren.
20. 33. Vorrichtung nach einem der vorangehenden 40 Der maternelle QRS-Komplex weist seine grösste Lei-Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass myographische stungsdichte im Frequenzbereich zwischen 10 und 30 Hz auf. Signalaufnehmer für das Signalgemisch vorgesehen sind. Das Maximum des fetalen QRS-Komplexes im Frequenzspek-
21. 34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeich- trum liegt etwas höher, und zwar zwischen 15 und 40 Hz. net, dass ein Gleichrichter für die Gleichrichtung des Signalge- Die im abdominalen Signal enthaltenen Rauschanteile misches vor der weiteren Verarbeitung vorgesehen ist. 45 erstrecken sich über den gesamten Frequenzbereich. Die sehr
22. 35. Vorrichtung nach einem der vorangehenden niederfrequenten Störungen rühren vermutlich in erster Linie Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung und von Bewegungen der Elektroden her, während der höherfre-Berechnung der Amplitudenwerte ein Mikroprozessor (33) quentierte Teil dem Elektromyogramm zuzurechnen ist. vorgesehen ist. In der Praxis wurden bisher zur Erkennung des fetalen Elek-

    50 trokardiogramms im abdominalen Signal folgende Methoden angewandt:

    1. Differenzverfahren

    Zusätzlich zum abdominalen wird ein normales EKG der