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Die Erfindung betrifft eine EKG-Triggereinheit.
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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-Triggereinheit anzugeben, die eine zuverlässige Triggerung 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 EKG-Triggereinheit erzeugt bei erkannter R-Zacke im EKG-Signal ein EKG-Triggersignal. Das von der Gleichtaktmesseinheit im Falle von magnetfeldbedingten Störungen erzeugte Gleichtaktsignal wird der EKG-Triggereinheit zugeleitet. Die EKG-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 EKG-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 sechs 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 Nachfrequenz-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 Störung 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.
