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Die
Erfindung betrifft eine EKG-Messvorrichtung mit mehreren EKG-Elektroden
und mit einer Gleichtaktmesseinheit, die eingangsseitig mit den EKG-Elektroden
verbunden ist.
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Eine
EKG-Messvorrichtung nimmt ein EKG-Signal typischerweise mit zwei
EKG-Elektroden auf, die an Eingängen eines hochohmigen
Differenzverstärkers angeschlossen sind. Gibt es die Möglichkeit,
mehr als zwei EKG-Elektroden an die EKG-Messvorrichtung anzuschließen,
wird typischerweise eine der EKG-Elektroden als gemeinsamer Bezugspunkt
verwendet.
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Eine
EKG-Messvorrichtung der eingangs genannten Art ist in dem Buch
von Karsten Meyer-Waarden: „Bioelektrische Signale und
ihre Ableitverfahren", 1985, Schattauer Verlagsgesellschaft, Stuttgart,
Germany, auf den Seiten 142 bis 143 offenbart. Bei der
dort beschriebenen EKG-Messvorrichtung wird ein Störsignal
mit Gleichtaktanteil an zwei EKG-Messelektroden mit dem so genannten
Verfahren der Bezugspotentialsteuerung verringert. Erzeugt wird
das Störsignal durch einen Verschiebestrom, der hier wiederum
durch ein elektrisches Energieversorgungsnetz mit Wechselspannung
verursacht ist. Bei dem Verfahren der Bezugspotentialsteuerung liegt
die Bezugselektrode nicht auf Bezugserde oder Bezugspotential, sondern
erhält ein Potential, das dem Gleichtaktanteil des Störsignals
entspricht. Das Störsignal wird an den beiden EKG-Elektroden
abgegriffen. Der Gleichtaktanteil des Störsignals wird nach
Verstärkung, Impedanzwandlung und Invertierung der Elektrode,
die das Bezugspotential für die Messung bestimmt, zugeführt.
Der in den Körper eingekoppelte Verschiebestrom fließt
somit nicht gegen die Bezugserde mit einem konstanten Bezugspotential
ab, sondern er fließt in einen Bezugspunkt, dessen Potential
durch die Störspannung gesteuert wird. Der Verschiebestrom
wird durch einen in Betrag und Phase gegensinnigen Strom kompensiert.
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EKG-Vorrichtungen
werden nicht nur zur Messung und Überwachung der Herzfunktion,
sondern auch bei der medizinischen Bildgebung zur Erzeugung von
Triggersignalen verwendet. Über das EKG-Signal wird während
der Bildgebung Information über die Herzphase gewonnen,
um damit die Bildgebung mit der Herztätigkeit zu synchronisieren.
Insbesondere bei Bildgebungsverfahren, die eine längere
Aufnahmezeit benötigen, können so Herzaufnahmen
oder auch Aufnahmen von Bereichen, die mit dem Herzschlag pulsieren,
mit hoher Qualität erstellt werden.
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EKG-Messvorrichtungen
werden demnach auch vorteilhaft zur in-situ-Aufnahme von EKG-Signalen
während einer Untersuchung eines Patienten mittels eines
Magnetresonanzgeräts (MR-Geräts) verwendet. Der
Betrieb im Magnetresonanzgerät erfordert jedoch eine Reihe
von Maßnahmen, damit eine einwandfreie Messung in der Umgebung
des Magnetresonanzgeräts überhaupt möglich
ist. Bekanntermaßen werden im Magnetresonanzgerät
zur Bildgebung starke hochfrequente Felder im Megaherzbereich sowie
starke Gradientenfelder im Niederfrequenzbereich verwendet. Die
EKG-Messvorrichtung darf weder durch den Betrieb des Magnetresonanzgeräts
gestört werden, noch darf sie selbst den Betrieb des Magnetresonanzgeräts
stören. EKG-Messvorrichtungen, die im oben angegebenen Sinn
MR-kompatibel sind, sind auf dem Markt erhältlich.
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Problematisch
sind jedoch nach wie vor zeitlich sich ändernde Magnetfelder,
wie sie im Magnetresonanzgerät als magnetische Gradientenfelder zur
Ortscodierung verwendet werden. Zeitliche Magnetfeldänderungen
erzeugen nach dem Induktionsgesetz Störspannungen, die
in dem von den EKG-Elektroden aufgenommenen EKG-Signal als Störung
eingekoppelt werden. Auch Bewegungen des Patienten während
der Bildaufnahme im statischen Magnetfeld erzeugen gemäß dem
Induktionsgesetz Störsignale, weil sich die für
die Einkopplung wirksame Fläche durch die Bewegung ändert.
Derartige magnetisch erzeugte Störsignale überlagern
sich mit dem vom Körper erzeugten EKG-Signal und verfälschen
dieses.
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Zur
Aufnahme eines mit dem Herzschlag synchronisierten Magnetresonanzbildes
ist jedoch eine zuverlässige Erkennung der R-Zacke im EKG-Signal
grundlegend erforderlich. Die von den geschalteten Gradientenfeldern
ebenso wie von schnellen Bewegungen erzeugten Störsignale
können jedoch irrtümlich als eine R-Zacke interpretiert werden
und so, wegen der dadurch verursachten Falschtriggerung, zu einer
deutlichen Verschlechterung der Bildqualität führen.
Bekannt ist, in der Triggereinheit der EKG-Messvorrichtung die EKG-Signale
auf magnetfeldbedingte Störungen hin zu untersuchen. Dazu
wird die Dynamik der EKG-Signale analysiert und dahingehend ausgewertet,
ob es sich um eine zu detektierende R-Zacke im EKG-Signal oder um
eine Störung handelt. Fehltriggerungen sind dennoch nicht
ausgeschlossen, wenn das Störsignal in seiner Dynamik der
R-Zacke im EKG-Signal entspricht.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine EKG-Messanordnung
anzugeben, die eine zuverlässige Erkennung von magnetfeldbedingten Störungen
erlaubt und bei der das Risiko falsche Triggersignale abzugeben
reduziert ist.
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Die
vorstehende Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass magnetfeldbedingte Störungen
einen großen Gleichtaktanteil im EKG-Signal der einzelnen
EKG-Elektroden aufweisen. Demgemäß umfasst eine
EKG-Messvorrichtung mehrere EKG-Elektroden und eine Gleichtaktmesseinheit,
die eingangsseitig mit den EKG-Elektroden verbunden ist, wobei die
Gleichtaktmesseinheit ausgangsseitig mit einer EKG-Triggereinheit
verbunden ist. Die Triggereinheit erzeugt bei erkannter R-Zacke
im EKG-Signal ein Triggersignal. Das von der Gleichtaktmesseinheit
im Falle von magnetfeldbedingten Störungen erzeugte Gleichtaktsignal
wird der Triggereinheit zugeleitet. Die Triggereinheit erkennt dann
aus dem Gleichtaktsignal, wann magnetfeldbedingte Störungen
vorliegen und kann so eine Fehltriggerung vermeiden. Dazu wird das
Gleichtaktsignal zusammen mit den EKG-Signalen erfasst und verarbeitet,
z. B. ebenso wie die EKG-Signale einer Differenzbildung, Signalanpassung,
Filterung und A/D-Wandlung unterzogen, und in der Triggereinheit
ausgewertet. Erscheint ein nennenswertes Gleichtaktsignal, das heißt,
es wird ein Grenzwert unter- oder überschritten, so wird
davon ausgegangen, dass im parallel vorliegenden EKG-Signal ebenfalls
derartige Störungen vorhanden sind. Die Triggersignalabgabe
wird dann zum Beispiel, wie auch schon im Stand der Technik bekannt,
für den Zeitraum des Auftretens des Gleichtaktsignals gesperrt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die
Gleichtaktmesseinheit über einen Subtrahierer mit der EKG-Triggereinheit verbunden
ist und dass der Subtrahierer eingangsseitig mit einer weiteren
Elektrode verbunden ist. Damit wird das Gleichtaktsignal auf das
Bezugspotential der weiteren Elektrode bezogen. Die Bezugselektrode
ist im Allgemeinen die RL-Elektrode.
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Bei
einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Gleichtaktmesseinheit
ausgangsseitig mit einer weiteren Elektrode verbunden. Durch die
Rückführung auf eine weitere Elektrode wird eine
Bezugspotentialsteuerung, wie eingangs schon beschrieben, realisiert,
um niederfrequente Störungen zu kompensieren.
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Eine
weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch
aus, dass die Gleichtaktmesseinheit über einen Subtrahierer
mit der EKG-Triggereinheit verbunden ist, dass der Subtrahierer
eingangsseitig mit einer weiteren Elektrode verbunden ist und dass
die Gleichtaktmesseinheit ausgangsseitig mit der weiteren Elektrode
verbunden ist. Zunächst wird durch die Rückkopplung
das niederfrequente magnetfeldbedingte Störsignal in den EKG-Signalen
weitgehend reduziert. Das verbleibende höherfrequente Störsignal
wird dann in der EKG-Triggereinheit zusammen mit den EKG-Signalen
analysiert, um Fehltriggersignale zu eliminieren.
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Weitere
Ausgestaltungen sind durch die übrigen Unteransprüche
gekennzeichnet.
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In
Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
von fünf Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 in
einem Blockschaltbild den Aufbau einer ersten EKG-Messvorrichtung,
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2 in
einem Blockschaltbild den Aufbau einer zweiten EKG-Messvorrichtung,
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3 in
einem Blockschaltbild den Aufbau einer dritten EKG-Messvorrichtung,
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4 in
einem Blockschaltbild den Aufbau einer vierten EKG-Messvorrichtung,
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5 zur
Veranschaulichung den zeitlichen Verlauf eines gestörten
EKG-Messsignals sowie das gleichzeitig als Störsignal erfasste
Gleichtaktsignal dazu und
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6 in
einer Übersichtsdarstellung ein diagnostisches Magnetresonanzgerät
mit einer integrierten Triggereinheit.
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Die
in 1 im Blockschaltbild dargestellte erste EKG-Messvorrichtung
umfasst drei Elektroden 2, 4 und 6, die
auf der Hautoberfläche eines Patienten gemäß einer
normierten Farbcodierung im Ampel-Schema aufgeklebt werden. So wird
die Elektrode 2 beispielsweise am rechten Arm mit der Farbcodierung
Rot, die Elektrode 4 am linken Arm mit der Farbcodierung
Gelb und die Elektrode 6 am linken Bein mit der Farbcodierung
Grün aufgeklebt. Mit der Zeit haben sich verschiedene so
genannte Ableitschemata entwickelt. Hier sei insbesondere auf das Ableitschema
nach Einthoven hingewiesen. Bei der bipolaren Ableitung nach Einthoven
wird die elektrische Potentialänderung zwischen den Extremitäten gemessen.
Dabei steht Einthoven I für die Potentialdifferenz zwischen
dem linken Arm und dem rechten Arm, Einthoven II für die
Potentialdifferenz zwischen dem linken Bein und dem rechten Arm
und Einthoven III für die Potentialdifferenz zwischen dem
linken Bein und dem linken Arm. Bei Untersuchungen im Magnetresonanzgerät
gilt die Einschränkung, dass im Allgemeinen die Elektroden 2, 4, 6 nicht
an den Extremitäten selbst, sondern am Thorax angebracht
werden. Üblich ist in diesem Zusammenhang z. B. auch, vier
Elektroden am Oberkörper an den Ecken eines Vierecks um
das Herz herum anzubringen. Die Übertragung der Einthoven-Ableitung
auf den Thorax wird auch als Brustwandableitung nach Nehb bezeichnet.
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Die
Elektroden 2, 4, 6 sind über
Tiefpassfilter 7 mit einer Grenzfrequenz von ca. 130 Hz
mit einer Gleichtaktmesseinheit 8 und mit einer Triggereinheit 10 verbunden.
Die Tiefpassfilter 7 sperren die hochfrequenten Anteile
aus dem EKG-Messsignal, die aufgrund von MR-spezifischen, hochfrequenten
Störungen dem elektrophysiologischen Signal überlagert
sind.
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Die
Gleichtaktmesseinheit 8 ist zweistufig aufgebaut. Die erste
Stufe umfasst drei Mittelwertbildner 12, deren Eingänge
jeweils mit zwei verschiedenen Elektroden 2, 4, 6 verbunden
ist. Die Mittelwertbildner 12 erzeugen aus den an ihren
Eingängen zugeführten EKG-Messsignalen einen arithmetischen
Mittelwert. Sie umfassen demnach analoge Summierer mit einem Verstärkungsfaktor
von 0,5. Die von den Mittelwertbildnern 12 erzeugten Mittelwertsignale
werden in einer zweiten Stufe einem weiteren Mittelwertbildner 14 zugeführt.
Der Mittelwertbildner 14 bildet den arithmetischen Mittelwert
der von den Mittelwertbildnern 12 abgegebenen Mittelwertsignale,
so dass als Ausgangssignal der Mittelwert aller EKG-Signale und
damit der Gleichtaktanteil der von den EKG-Elektroden 2, 4, 6 gemessenen EKG-Signale
anliegt. In einer dem Mittelwertbildner 14 nachgeschalteten
Verstärkerstufe 16 erfolgt noch eine Signalverstärkung
und gegebenenfalls auch eine Impedanzanpassung. Abhängig
von den verwendeten Bauteilen können auch die Mittelwertbildner 12 und 14 eine
Signalverstärkerstufe enthalten.
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Das
am Ausgang des Verstärkers 16 abgegebene Gleichtaktsignal
wird ebenfalls wie die EKG-Signale der EKG-Triggereinheit 10 zugeführt. Die
EKG-Triggereinheit umfasst eine Triggersignalerzeugungseinheit 10A und
eine Steuereinheit 10B. Die Triggersignalerzeugungseinheit 10A erzeugt nach
einer zuverlässigen Erkennung der R-Zacke im EKG-Signal
an einem Ausgang 17 einen Triggerimpuls. In der Steuereinheit 10B werden
die Dynamik und gegebenenfalls auch die Amplitude des von dem Verstärker 16 gelieferten
Gleichtaktsignals analysiert und mit Referenzwerten verglichen. Überschreiten beide
Größen bestimmte Grenzwerte, die von den Referenzwerten
abgeleitet sind, wird beispielsweise eine Meldung ausgegeben und
die Abgabe eines Triggersignals durch die Triggersignalerzeugungseinheit 10A am
Ausgang 17 unterdrückt.
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2 zeigt
in einem Blockschaltbild eine zweite Ausführungsform der
EKG-Messvorrichtung, die sich von der in 1 dargestellten
EKG-Messvorrichtung dadurch unterscheidet, dass eine weitere Elektrode 18 als
Bezugselektrode vorgesehen ist. Die Bezugselektrode 18 wird
z. B. bei insgesamt 4 Elektroden im Viereck um das Herz herum an
der schulternahen Ecke zu platzieren.
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Die
Bezugselektrode 18 ist über einen Tiefpass 7 mit
einer Grenzfrequenz von ca. 130 Hz mit der Steuereinheit 10B und
mit einem Minuseingang eines Subtrahierers 20 verbunden.
Das Gleichtaktsignal aus der Gleichtaktmesseinheit 8 ist
dem Pluseingang des Subtrahierers 20 zugeführt.
Durch diese Signalverarbeitung wird das Gleichtaktsignal der EKG-Elektroden 2, 4, 6 lediglich
als Differenzpotential zur Bezugselektrode 18 der Triggereinheit 10 zugeführt.
Dadurch wird ein vorteilhafter Bezug auf das Körperpotential
geschaffen.
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Die
weitere Verarbeitung und Auswertung in der Triggereinheit 10 erfolgt
in der gleichen Weise, wie sie schon anhand von 1 beschrieben
ist.
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3 zeigt
eine weitere EKG-Messanordnung, die ebenfalls aus der EKG-Messanordnung nach 1 hervorgegangen
ist. Auch hier ist die Bezugselektrode 18 über
das Tiefpassfilter 7 mit der Steuereinheit 10A verbunden.
Das von der Gleichtaktmesseinheit 8 erzeugte Gleichtaktsignal
wird dabei zusätzlich über ein Tiefpassfilter 22 und
einen Invertierer 24 über das Tiefpassfilter 7 der
Bezugselektrode 18 zugeführt. Das Tiefpassfilter 22 soll
niederfrequente Störungen rückkoppeln, um Ausgleichsvorgänge
im Körper zu ermöglichen. Durch diese externe
Rückkopplung werden schon im EKG-Signal auf alle EKG-Elektroden 2, 4 und 6 magnetisch
symmetrisch eingekoppelte niederfrequente Störsignale kompensiert.
Verbleibende höherfrequente Reststörsignale werden
dann wie schon anhand von 1 beschrieben,
in der Triggereinheit 10 analysiert und weiterverarbeitet.
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Das
in 4 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen EKG-Messvorrichtung umfasst
sowohl eine Rückkopplung, wie sie in 3 beschrieben
ist, sowie die anhand von 2 beschriebene
Differenzbildung des Gleichtaktsignals mit dem von der Bezugselektrode 18 aufgenommenen
Signal. Auch hier ist die Bezugselektrode 18 über
das Tiefpassfilter 7 mit der Steuereinheit 10A verbunden.
Der Tiefpass 7 sperrt hochfrequente MR-spezifische Hochfrequenz-Störungen.
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5 zeigt
zur Erläuterung der Funktionsweise der vorstehend beschriebenen
EKG-Messvorrichtungen den Signalverlauf eines EKG-Signals 30 über
der Zeit, wie es als Differenzsignal beispielsweise aus den von
den Elektroden 2 und 4 abgegriffenen EKG-Signalen
erzeugt wurde. Im EKG-Signal 30 ist eine R-Zacke 30A deutlich
zu erkennen, woraufhin ein Triggerimpuls 32 erzeugt wird.
Im weiteren Verlauf 30B des EKG-Signals 30 tritt
jedoch eine magnetisch eingekoppelte Störung auf, die eine
sichere Erkennung der R-Zacke nicht mehr erlaubt. Diese Stö rung
ist deutlich im Gleichtaktsignal 34 abgebildet. Sobald
das Gleichtaktsignal 34 eine bestimmte Amplitude und Dynamik
aufweist, wird die Erzeugung von Triggersignalen 32 gesperrt.
Nach Abklingen des Gleichtaktsignals 34 und ggf. einer
bestimmten Wartezeit wird im Bereich 34A die Triggersignalerzeugung
wieder freigegeben.
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6 zeigt
in einer Übersichtsdarstellung ein diagnostisches Magnetresonanzgerät 40 mit
einer integrierten EKG-Triggereinheit 10. Damit sind insbesondere
zwei Vorteile verbunden. Zum einen kann die EKG-Triggereinheit als
Software realisiert werden und auf einem Steuerrechner 42 des
MR-Geräts 40 laufen. Damit ist die große
Rechenleistung im MR-Gerät 40 auch für
die EKG-Triggereinheit 10 verfügbar. Zum anderen
kann die EKG-Triggereinheit 10 einfach und schnell auf
MR-Geräteparameter und MR-Messgrößen
zugreifen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Buch von Karsten
Meyer-Waarden: „Bioelektrische Signale und ihre Ableitverfahren",
1985, Schattauer Verlagsgesellschaft, Stuttgart, Germany, auf den
Seiten 142 bis 143 [0003]