DD230953A1

DD230953A1 - SIGNAL PRE-PROCESSING DEVICE FOR BIOLOGICAL SIGNALS

Info

Publication number: DD230953A1
Application number: DD26021784A
Authority: DD
Inventors: Lajos Mester; Jozsef Gabriel; Ferenc Radnoczi; Zoltan Szabo; Andras Marton; Istvan Vari
Original assignee: Medicor Muevek
Priority date: 1983-02-21
Filing date: 1984-02-21
Publication date: 1985-12-11
Also published as: CS117884A2; CS255857B2; PL246307A1; HU188430B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Signalvorverarbeitungsgeraet fuer biologische Signale, das aus Messmodulen und einem Modulbus besteht, wobei die Messmodule an den Modulbus angeschlossen sind. Das Geraet ist entsprechend den Sicherheitsvorschriften mit einer galvanischen Entkopplung versehen. Die biologischen Signale gelangen nach einer entsprechenden Signalkonditionierung an einen A/D-Wandler. Das bereits digitalisierte Signal wird mit den Statusinformationen des Moduls gemeinsam ueber eine Entkopplungseinheit an den Modulbus gefuehrt, der diese in dem Falle an einen Computer weiterleitet, wenn die mittels des Zielcomputers vorgegebenen digitalen Befehlswoerter, die ebenfalls ueber eine Entkopplungseinheit zum Modul gelangen, die Adresse des entsprechenden Moduls beinhalten.The invention relates to a Signalvorverarbeitungsgeraet for biological signals, which consists of measuring modules and a module bus, wherein the measuring modules are connected to the module bus. The device is equipped according to the safety regulations with a galvanic decoupling. The biological signals arrive after an appropriate signal conditioning to an A / D converter. The already digitized signal is routed together with the status information of the module via a decoupling unit to the module bus, which forwards it to a computer if the digital instruction words given by the destination computer, which also arrive at the module via a decoupling unit, address the user corresponding module.

Description

Zulassungsschaltungen, Steuerschaltungen, Adressenidentifizierer, Speicher und Bedienorgane, wobei der Ausgang der Analogsignal-Konditioniereinheitmitdem Eingang des A/D-Wandlers verbunden ist. Zwischen dem Ausgang des A/D-Wandlers und der Zulassungsschaltung ist ein Parallel-Reihenwandier geschaltet und der Ausgang der Zulassungsschaltung ist an eine Ausgangs-Entkopplungseinheit gelegt, deren Ausgangslinie einen Teil des Moduianschlusses bildet. Des weiteren ist eine Eingangs-Entkopplungseinheit—deren Eingangslinie ebenfalls einen Teil des Modulanschlusses bildet—mit dem Eingang des Reihen-Parallelwandlers verbunden, dessen Ausgänge dagegen mit den Eingängen der Speicher und des Adressenidentifizierers verbunden sind. Ferner ist der Ausgang des Adressenidentifizierers an die Steuerschaltung geführt und die Steuerlinien der Steuerschaltung sind an die Schreibeingänge der Speicher, an den „Start"-Eingang des A/D-Wandlers, an die Durchlaß- und Auswahleingänge des Parallel-Reihenwandlers und an den Durchlaßeingang der Zulassungsschaltung angeschlossen.Admission circuits, control circuits, address identifiers, memories and controls, the output of the analog signal conditioning unit being connected to the input of the A / D converter. Between the output of the A / D converter and the admission circuit, a parallel Reihenwandier is connected and the output of the admission circuit is connected to an output decoupling unit whose output line forms part of the Moduianschlusses. Furthermore, an input decoupling unit-whose input line also forms part of the module terminal-is connected to the input of the series-parallel converter, the outputs of which are connected to the inputs of the memories and the address identifier. Further, the output of the address identifier is applied to the control circuit and the control lines of the control circuit are to the write inputs of the memories, to the "start" input of the A / D converter, to the pass and select inputs of the parallel-to-serial converter and to the pass input connected to the approval circuit.

Es ist vorteilhaft, wenn das Modul durch an seinem Gehäuse ausgebildete Leitkanten und im Gerätgehäuse angeordnete Führungsschienen einschiebbar und mittels eines von der Frontplatte aus betätigbaren Befestigungselementes befestigt ist. Es ist zweckmäßig, die Analogsignal-Konditioniereinheit und die digitale Vorverarbeitungseinheit des Moduls als gesonderte Einheiten auszubilden, wobei zwischen diesen eine lösbare Verbindung besteht.It is advantageous if the module can be inserted by means of guide edges formed on its housing and guide rails arranged in the device housing and fastened by means of a fastening element which can be actuated from the front panel. It is expedient to design the analog signal conditioning unit and the digital preprocessing unit of the module as separate units, wherein a detachable connection exists between them.

embodiment

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:The invention will be described in more detail below with reference to exemplary embodiments with the aid of the attached drawings. Show it:

Fig. 1: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gerätes; Fig.2: die Anordnung eines Moduls;Fig. 1: an embodiment of the device according to the invention; Fig.2: the arrangement of a module;

Fig.3: das Blockschema einer Ausführungsform des Signalvorverarbeitungsmoduls und Fig. 4: das Blockschema einer Ausführungsform des Modulbusses.3 shows the block diagram of an embodiment of the signal preprocessing module, and FIG. 4 shows the block diagram of an embodiment of the module bus.

Laut Fig. 1 wird durch eine Analogsignal-Konditioniereinheit 3 und eine digitale Vorverarbeitungseinheit 4 ein sogenanntes Signalvorverarbeitungsmodul gebildet. Die Analogsignal-Konditioniereinheit 3 stellt dabei den „analogen" Teil dar, diese führt die Signalkonditionierung durch, d. h. ein von einem Patienten 1 über einen Fühler 2 kommendes Signal mit niedrigem Pegel wird entsprechend der Steuerung der Analogsignal-Konditioniereinheit 3 durch diese Einheit verstärkt, gegebenenfalls verschoben und an den A/D-Konverter weitergeleitet. Die digitale Vorverarbeitungseinheit 4 stellt den „digitalen" Teil des Signalvorverarbeitungsmoduls dar, das analoge Signal wird mittels des A/D-Wandlers in ein digitales Signal umgewandelt und an diesem digitalen Signal werden Umformungen durchgeführt.1, an analog signal conditioning unit 3 and a digital preprocessing unit 4 form a so-called signal preprocessing module. The analog signal conditioning unit 3 represents the "analog" part, this carries out the signal conditioning, ie a signal coming from a patient 1 via a sensor 2 low level signal is amplified according to the control of the analog signal conditioning unit 3 by this unit, if necessary The digital preprocessing unit 4 represents the "digital" part of the signal preprocessing module, the analog signal is converted into a digital signal by means of the A / D converter and transformations are performed on this digital signal.

Das Modul ist den Sicherheitsvorschriften für Patienten entsprechend mit einem galvanischen Entkoppler 28 versehen, der über einen Anschluß 5 an einen sogenannten Modulbus geführt ist. Der Modulbus empfängt über den Anschluß 5 die Signale der Module und ist mit Pegelumsetzerschaltungen versehen, die einen standardgerechten, einen Teil des V24 bildenden Reihen-Input-Output-Anschlusses zur seitlichen Kopplung 7 des Computers darstellen.The module is provided according to the safety regulations for patients with a galvanic decoupler 28, which is guided via a terminal 5 to a so-called module bus. The module bus receives the signals of the modules through terminal 5 and is provided with level shifter circuits which provide a standard, part-to-side series input-output terminal 7 for the computer.

In Fig. 2 ist die Anordnung eines Moduls dargestellt. Das Modul 8 ist mittels an seinem Gehäuse 12 ausgebildeten Leitkanten 11 an Führungsschienen 10 angeschlossen und damit in ein Gerätgehäuse 9 einschiebbar. Im Gerätgehäuse 9 ist das Modul mittels einer Schraube 14 sowie einer Mutter 15 befestigbar.'2, the arrangement of a module is shown. The module 8 is connected by means formed on its housing 12 leading edges 11 to guide rails 10 and thus inserted into a device housing 9. In the device housing 9, the module by means of a screw 14 and a nut 15 can be fastened.

In Fig.3 ist eine Ausführungsform eines Signalvorverarbeitungsmoduls dargestellt. Von dem Fühler 2, dessen Anschluß gemeinsam mit Bedienorganen 22 des Moduls an einer Frontplatte 13 des Moduls angeordnet ist, wird das biologische Signal in die Analogsignal-Konditioniereinheit 3 verstärkt und verschiebt gegebenenfalls das biologische Signal entsprechend den von Speichern 17; 18 erhaltenen Befehlen. Die Analogsignal-Konditioniereinheit 3 ist auch fähig, unter Berücksichtigung von bestimmten Befehlsbits zu blockieren oder Kalibrationssignale zu liefern.FIG. 3 shows an embodiment of a signal preprocessing module. Of the sensor 2, whose connection is arranged together with control elements 22 of the module on a front panel 13 of the module, the biological signal is amplified in the analog signal conditioning unit 3 and shifts the biological signal, if appropriate, according to the memory 17; 18 commands received. The analog signal conditioning unit 3 is also capable of blocking or providing calibration signals in consideration of certain command bits.

Zur Realisierung der erwähnten Funktionen (Kalibrierung, Blockierung, Verschiebung, Verstärkung) sind in der Analogsignal-Konditioniereinheit 3 vorzugsweise CMOS-Analogschalter und Operationsverstärker mit geringem Verbrauch verwendet. Das entsprechend konditionierte Signal wird an einen A/D-Wandler geführtTo realize the mentioned functions (calibration, blocking, shifting, amplification), CMOS analog switches and operational amplifiers with low consumption are preferably used in the analog signal conditioning unit 3. The corresponding conditioned signal is fed to an A / D converter

In dem beschriebenen Aus^ührungsbeispiel wird ein Approximations-A/D-Wandler benutzt. In the described embodiment, an approximation A / D converter is used.

Nach dem Ansteuern des A/D-Wandlers 16, das durch eine Steuerschaltung 21 erfolgt, wandelt dieser A/D-Wandler 16 das Nutzsignai vorzugsweise in ein digitales 8-bit/Signal um. Diese digitale Information wird an einen Parallei-Reihenwandler 19 (z.B. ein achtkantiger Selektor) geleitet, derauf eine durch die Steuerschaltung 21 bestimmte Weise die parallelen digitalen Daten in Reihendaten umwandelt. Danach gelangen die digitalen Reihendaten über eine Zulassungsschaltung 24 an eine Ausgangs-Entkopplungseinheit 25 und danach von dort über den Modulanschluß 5 an den Modulbus 6.After driving the A / D converter 16, which is performed by a control circuit 21, this A / D converter 16 converts the Nutzsignai preferably in a digital 8-bit / signal. This digital information is passed to a parallel-to-serial converter 19 (e.g., an octal selector) which, in a manner determined by the control circuit 21, converts the parallel digital data into row data. Thereafter, the digital serial data arrive via an authorization circuit 24 to an output decoupling unit 25 and then from there via the module connection 5 to the module bus 6.

Der obige Vorgang spielt sich nur dann ab, wenn in den an die Eingangs-Entkopplungseinheit 26 geführten Befehlen nach dem Reihen-Parallelwandler 20 (z. B. Shiftregister) der Adressenidentifizierer 23 die eigene Adresse des Moduls erkennt, d. h. die Bikomination der Befehle, die der Adressierung dient, ist mit einer Bitkombination identisch, die in Bedienorganen (jumper-Netz) innerhalb des Moduls eingestellt wurde. Danach werden mittels der Steuerschaltung die Informationen bezüglich der Analogsignal-Konditioniereinheit 3 in die Speicher 17; 18eingeschrieben und eserfolgt die bereits erwähnte Signalkonditions-A/D-Parallel-Reihenwandlung. Das Reihensignal durchläuft die Zulassungsschaltung 24, dessen Steuerung wird mittels der Steuerschaltung 21 durchgeführt.The above process takes place only if, in the instructions following the input-decoupling unit 26, after the serial-to-parallel converter 20 (eg shift register), the address identifier 23 recognizes the module's own address, i. H. the bicomination of the commands used for addressing is identical to a bit combination set in control units (jumper network) within the module. Thereafter, by means of the control circuit, the information relating to the analog signal conditioning unit 3 in the memory 17; 18, and the above-mentioned signal conditioning A / D parallel series conversion takes place. The row signal passes through the admission circuit 24, whose control is performed by means of the control circuit 21.

Die Vorsorgung der integrierten Schaltungen erfolgt durch eine Speiseeinheit 27, die ähnlich wie die Eingangs-Entkopplungseinheit 26 und die Ausgangs-Entkopplungseinheit 25 einen den Sicherheitsvorschriften für Patienten entsprechende Entkopplung enthält.The provision of the integrated circuits is effected by a supply unit 27 which, similar to the input decoupling unit 26 and the output decoupling unit 25, contains a decoupling corresponding to the safety regulations for patients.

,«Bezügiioh.des Datanverkehrs sind die Befehle in der beschriebenen Ausführungsform 16-bit Befehle in 2 x 8-bit Ausführung. Die Bits sind auf der Reihenlinie sinngemäß nacheinander angeordnet, den Anfang und das Ende der Bytes (8 Bit) kennzeichnen Start- und Stop-bits. Die Adresse des Moduls enthält das zeitlich zuerst erscheinende Byte. Die Modulantwort ist ebenfalls 2 Bytes, wobei das erste Byte (Status-)lnformationen bezüglich des Zustandes des Moduls enthält (wie z. B. Bit-Zustände bezüglich der gedrückten Stellung der auf der Frontplatte 13 des Moduls angeordneten und den Kontakt sichernden, als Drucktasten ausgebildeten, Bedienorganes 22), während das zweite Byte digitalisierte Daten enthält. Die Häufigkeit der Modulansprechungen (Befehle) wird durch die gewünschte Häufigkeit der Abtastungen bestimmt.In the described embodiment, the commands in the described embodiment are 16-bit instructions in 2 x 8-bit execution. The bits are arranged one after the other on the row line, the beginning and the end of the bytes (8 bits) indicate start and stop bits. The address of the module contains the byte appearing first in time. The module response is also 2 bytes, with the first byte containing (status) information regarding the state of the module (such as bit states relating to the depressed position of the front panel 13 of the module and securing the contact as push buttons trained operator 22), while the second byte contains digitized data. The frequency of module responses (commands) is determined by the desired frequency of samples.

Dadurch, daß sich die biologischen Signale formell in gleicher Weise an den Mikrocomputer anschließen (digitalisierte 8-bit Daten), ist das Wesen „Inhalt der Nachrichten" auf das erforderliche Niveau geführt worden, das heißt, es wurde eine mit der Rechentechnik kompatible Signalbearbeitung realisiert.Characterized in that the biological signals formally connect in the same way to the microcomputer (digitized 8-bit data), the essence of "message content" has been brought to the required level, that is, it has been realized with the computing technology compatible signal processing ,

-3- 260 ZTI Λ -3- 260 ZTI Λ

In Fig. 4 ist das Blockschema einer Ausführungsform des Modul busses dargestellt. Der Modulbus ist mit den Modulen über einen Modulanschluß 5 verbunden, und zur Realisierung der Verbindung mit dem Mikrocomputer ist er mit einer einen Reihenanschluß bildenden Schaltung 29 versehen, die ein Teil der V24 darstellt. Der Modulbus wird über einen an den Mikrocomputer angeschlossenen Anschlußteil 7 mit der zur Funktion erforderlichen Speisespannung und dem Taktsignal versorgt.4, the block diagram of an embodiment of the module bus is shown. The module bus is connected to the modules via a module terminal 5, and for connection to the microcomputer, it is provided with a serial connection circuit 29 which forms part of the V24. The module bus is supplied via a connection part 7 connected to the microcomputer with the supply voltage required for the function and the clock signal.

Claims

Invention claim:

A signal processing apparatus for biological signals, in particular for use in microcomputer-equipped multichannel medical measuring systems, of modular design, and provided with a patient safety regulations galvanic isolation and with a standard connection to data traffic with a microcomputer, characterized in that a measuring module with an analogue signal Conditioning unit (3) and a digital preparation unit (4) is provided and measuring modules (8) are connected to a Moduibus (6) equipped with a circuit (8) for the realization of the module connections and the standard digital communication connections, the analog signal conditioning unit ( 3) with CMOS analog switch and operational amplifier with low consumption is constructed so that the control inputs of the analog switch to the outputs of the memory (17; 18) of the digital preprocessing unit (4) are guided, continue the digita pre-processing unit (4) having an A / D converter (16), a parallel-series converter (19), a series-parallel converter (20), permission circuits (24), control circuits (21), address identifiers (23), memory - (17; 18) and control elements (22) is provided, wherein the output of the analog signal conditioning unit (3) is connected to the input of the A / D converter (16), between the output of the A / D converter (16 ) and the admission circuit (24), a parallel-series converter (19) is connected and the output of the admission circuit (24) to an output decoupling unit (25) is set, whose output line forms part of the module terminal (5), further an input Decoupling unit (26), whose input line also forms part of the module connection, with the input of the series-parallel converter (20), whose outputs, however, with the inputs of the memory (17; 18) and the address identifier, that the output of the address identifier is fed to the control circuit (21) and the control lines of the control circuit (21) to the write inputs of the memory (17; 18), to the "start" input of the A / D converter connected to the pass and select inputs of the parallel-to-serial converter (19) and to the pass-through input of the registration circuit.

2. Signalvorverarbeitungsgerätnach point 1, characterized in that the module (8) by means of its housing (12) formed leading edges (11) and arranged in the device housing guide rails (10) and is fastened by means of an operable from the front panel fastener.

3. Signal preprocessing device according to item 1, characterized in that the analog signal conditioning unit (3) and the digital preprocessing unit of the module (8) are formed as separate units and there is a detachable connection between them.

For this 4 pages drawings
Field of application of the invention

The invention relates to a device suitable for preprocessing and transmission of biological signals. The device has a signal-conducting unit in bus design which can be connected to a microcomputer.

With the device, the operation of blocking, calibration, amplifier conversion and signal shifting necessary for processing the biological signals can be carried out by means of command words.

Characteristic of the known technical solutions

For safety reasons, in units constructed with computers, the units which are in contact with the patient's body, in particular with electrodes and transducers located in body cavities, must be galvanically isolated from the network, from the computer coordinating the processing and also from each other. It follows that even in the realization of the signal preprocessing device for biological signals, a galvanic isolation is required. In galvanic isolation, several methods for transmitting the measured signals are known. The most common is the transmission of the measured analog signal by means of carrier frequency in the direction of the processing side.
In other cases, pulse width, pulse phase, etc. modulations are used on the galvanic decoupler.

It is a common feature of the abovementioned solutions that the galvanic decoupler of the analog signals is used. As a result, distortion of the signals to be processed may occur. To eliminate these deficiencies, a solution is known in which by the separation of a voltage-time system AD / converter in two parts at a suitable location, the galvanic decoupling was realized. However, the solution was not suitable for performing the blocking, calibration, gain-conversion, and signal-shifting functions that are essential to processing the biological signals.

Object of the invention

The aim of the invention is to avoid the aforementioned deficiency.
Explanation of the essence of the invention

The invention has for its object to provide a signal preprocessing device for biological signals that prepares the biological signals for further processing for a microcomputer, while the correct transmission of the signals, the feasibility of the special operations required for processing the signals and the safety regulations corresponding galvanic Decoupling guaranteed.

"To achieve the object, a signal preprocessing device for biological signals has been created that is designed to be modular, provided with safety regulations corresponding galvanic decoupling and with a standard connection for distribution with a microcomputer and provided according to the invention, a measuring module with an analog signal conditioning unit and a digital preprocessing unit The measurement modules are connected to a module equipped with a circuit for implementing the module connections and the standard digital communication connections.The analogue signal conditioning unit is constructed with a CMOS analogue amplifier and an operational amplifier in such a way that the control inputs of the analogue switches are connected to the outputs of the The digital preprocessing unit has A / D converters, parallel-to-serial converters, series-to-parallel converters,