DE1807205B2

DE1807205B2 - Anordnung zur stoerungsfreien Frequenzerfassung von durch quasiperiodische Vorgaenge hervorgerufenen elektrischen Signalen

Info

Publication number: DE1807205B2
Application number: DE1807205A
Authority: DE
Inventors: Axel 6840 Huettenfeld Fischer; Hans Dipl.-Ing. 8510 Fuerth Kubach
Original assignee: Hellige GmbH
Current assignee: GE Medical Systems Information Technologies GmbH
Priority date: 1968-11-06
Filing date: 1968-11-06
Publication date: 1978-07-27
Also published as: DE1807205A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Frequenzerfassung von Störsignale aufweisenden, durch quasiperiodische, biologische Vorgänge hervorgerufenen elektrischen Signalen mit schwankenden Amplitudenspitzenwerten unter Verwendung eines Schwellenwertschalters und einer Vorrichtung zur automatischen Regelung, durch weiche die auszuwertenden Spitzenamplituden bezüglich der Schwellenspannung· auf einen bestimmten, zur Erfassung geeigneten Wert gebracht ist. Ein solcher biologischer Vorgang ist insbesondere die elektrische Herzaktion, die bekanntlich vor allem mittels Elektrokardiographen ermittelt, angezeigt und/oder registriert werden kann.

Gemäß der Lehre der Erfindung dienen, wie mit den Hauptansprüchen 1 und 2 näher gekennzeichnet ist, automatische Regelschaltungen zur Einstellung des Verhältnisses zwischen dem Ansprechpegel eines

so Schwellenwertschalters und der Amplituden der zur Frequenzermittlung herangezogenen Signalteile.

Um die Herschlagfrequenz als eines der wichtigsten biologischen quasiperiodischen Vorgänge beim Menschen zu erfassen, werden in der Elektromedizin die von dem Herzen ausgehenden Aktionsspannungen mittels Elektroden abgegriffen und anschließend Auswerterschaltungen zugeführt. Die Schwierigkeit bei diesem Verfahren liegt aber darin, daß zur eindeutigen Feststellung der Herzschlagfrequenz lediglich die /?-Zacke eines Elektrokardiogramms von Wichtigkeit ist und die anderen charakteristischen Größen, beispielsweise die T- Welle, Störquellen darstellen. Im allgemeinen hat die Λ-Zacke die größte Amplitude innerhalb des quasiperiodischen Verlaufes von Herzaktionsspannungen, doch kommt es bisweilen vor, daß die 7¹WeIIe die R-Zacke in der Amplitude erreicht oder gar übertrifft. In einem solchen Fall bereitet die eindeutige Feststellung der Herschlagfrequenz infolge von Falschauslösungen

besondere Schwierigkeiten.

Es sind bereits Verfahren und Anordnungen bekannt, die den Einfluß der T-Welle als Störgröße bei der Frequenzermittlung eliminieren. Diese arbeiten in der Weise, daß die Herzaktionsspannungen von einem Verstärker verstärkt werden, dessen Verstärkungsmaximum auf etwa 15Hz gelegt ist (Frucht, Matauschek, Kahl: »Handbuch Medizinischer Elektronik«, Teil III, Berlin 1965, S. 2124 und 2125).

Dadurch wird eine Zurücksetzung der 7¹WeIIe bewirkt und eine Falschauslösung vermieden. Die auf diese Art behandelte Ä-Zacke des Signals kann nun über einen Schwellenwertschalter einem Impulsformer zugeführt und mit bekannten Mitteln ausgewertet werden. Der Nachteil der Methode der TWellen-Unterdrückung liegt jedoch darin, daß sie die vom Patienten herkommenden Muskelaktionsspannungen, welche sich der Herzaktionsspannung überlagern, nicht vollständig unterdrückt Außerdem differieren die Amplituden von Ä-Zacke und 7¹WeIIe von Patient zu Patient, so daß die von dem Verstärker abgegebene Spannungsamplitude den nachgeschalteten Schwellenwertschalter in Abhängigkeit von dem jeweiligen Patienten, mitunter auch bei der 7¹WeIIe, ansprechen läßt Um diesen Nachteil zu vermeiden, hat man auch handbediente Einrichtungen vorgesehen, die eine Anpassung der individuellen Ä-Zacken-Amplitude an die Empfindlichkeit der Auswerteschaltung erlauben.

Diese Einrichtungen bewirken eine Veränderung der Ansprechschwelle des Schwellenwertschalters. Das ist aber insofern besonders nachteilig, als eine zu niedrig eingestellte Ansprechschwelle auch die 7¹WeIIe erfaßt und eine zu hohe Ansprechschwelle die /Z-Zacke nicht mit Sicherheit passieren läßt Der Zwang zur Einstellung wird dadurch noch besonders lästig, daß ein Kriterium für die günstigste Einstellung nicht unmittelbar und nicht sofort, sondern nur durch Probieren gefunden werden kann und daß nach längerer Auswertung, z. B. bei der Patientenüberwachung, das Fortbestehen der günstigsten Einstellung nicht mehr gewährleistet ist Damit wird die Kontrolle der Überwachungsgeräte durch eine Bedienungsperson erforderlich, was gerade dem Sinn einer automatischen Patientenüberwachung widerspricht

Es wurde daher mit vorliegender Erfindung die Aufgabe verfolgt, die Überwachung der Hei'zschlagfrequenz von Patienten so zu automatisieren, daß eine Kontrolle durch Bedienungspersonal nicht notwendig ist. Diese Aufgabe wird durch die mit den Ansprüchen gekennzeichneten Schaltungsanordnungen erfüllt. Gemäß den grundsätzlichen Lehren der beiden Hauptansprüche sind die erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen so ausgelegt daß selbsttätig das Verhältnis zwischen der Amplitude des Ansprechpegels des Schwellenwertschalters und den Amplituden der für die Frequenzermittlung dienenden Signalteile so einreguliert wird, daß mit größter Sicherheit die zur Frequenzermittlung dienenden Signalteile vom Schwellenwertschalter erfaßt werden. Demnach wird also die Amplitude der betreffenden Signalteile entsprechend verändert oder es wird der Anspruchpegel des Schwellenwertschalters einreguliert

Das mit der vorliegenden Erfindung verfolgte Ziel war auch schon Ausgangspunkt eines mit DE-AS 12 48 225 bekanntgewordenen Vorschlags zum genauen Ermitteln der Herschlagfrequenz. Mit ihm sollte den Schwierigkeiten begegnet werden, die in der Praxis sowohl durch ein ungünstiges Verhältnis zwischen dem Stör- und dem Nutzpegel der auszuwertenden Signale als auch durch gelegentliche Änderungen des Pegels der auszuwertenden Signale bedingt sind. Es wurde aber ein gegenüber der vorliegenden Erfindung grundsätzlich verschiedener Lösungsweg gewählt, indem gleichzeitig mindestens zwei von der Herzaktion als gemeinsamen Ursprung abgeleitete, aber verschiedene Informationen ausgewertet wurden, und zwar beim Herzschall z. B. der 1. Herzton (Systole) und

ίο der 2. Herzton (Diastole). Aus ihnen wurden zwei phasenverschobene Impulsreihen und ein für die Frequenz kennzeichnendes Auswertesignal gewonnen, wenn die jeweils verglichenen Abstände der Impulse in den verschiedenen Impulsreihen innerhalb vorgegebener Toleranzen gleich waren. Die dazu notwendige Schaltung enthielt sowohl einen von Hand regelbaren Verstärker, um die Amplituden der Herztonsignale auf einen für die Funktion der weiteren Baugruppen optimalen Wert einstellen zu können, als auch einen automatischen Regelverstärker, um die unvermeidbaren Amplitudenschwankungen der ausgewerteten Signale (Herztöne) in kleinen Grenzen zu halten. Eine Bedienungsperson war daher unerläßlich, um den Amplitudenpegel an den eingestellten Schwellenwert anzupassen, während der autoamtische Amplitudenausgleich ebenfalls nur zur Aufrechterhaltung des fest eingestellten Amplitudenpegels der auszuwertenden Signale gegenüber kleineren vom Ursprung der Signale herrührenden Schwankungen diente. Für diese ältere Lösung waren folglich ein fest eingestellter Schwellenwert und auch prinzipiell ein fest eingestellter Amplitudenpegel der auszuwertenden Signale kennzeichnend. Eine automatische Anpassung der Amplituden unter automatischer Einstellung des Verhältnisses zwischen dem Ansprechpegel des Schwellenwertschalters und der Amplituden der ausgewerteten Signalteüe wurde folglich weder gefordert noch nahegelegt. Es handelte sich demnach bei der älteren Ausführung um ein eher starres Regelsystem als um ein gegenüber den Gegebenheiten flexibles Regelverfahren.

Entsprechende Regelkreise mit in ihrer Ansprechschwelle über ein Integrierglied der Impulshöhe nachgesteuerten Schwellenwertschaltern sind allgemein bekannt So gibt »Electronic Engineerung« June,

45,._1965, Seiten 394 und 395, eine Schaltung an, in der zum Zweck der Impulshöhenüberwachung die Impulse dem einen Eingang einer Komparatorstufe zugeführt werden, an deren anderem Eingang der Mittelwert der Ausgangsimpulsspannung des Komparators zur

so Schwellenwertregelung angelegt ist. Ausgewertet werden aber dort nicht die den Schwellenwert übersteigenden Ausgangsimpulse des Komparators, sondern deren Mittelwert. Auch ist die dieser Schaltung zugrunde liegende Aufgabenstellung völlig anders gelagert als bei der Lehre der vorliegenden Erfindung.

Bei der einen Ausführungsform der Erfindung sind ein in Abhängigkeit von der Amplitude der elektrischen Signale in seinem Schaltverhältnis steuerbarer elektronischer Schalter als Zerhacker der elektrischen Signale mit einer gegenüber der Signalfrequenz hohen Frequenz sowie zwei diesem Schalter nachgeschaltete Filter vorgesehen, von denen das eine Filter ein Tiefpaß zur Sperrung der Schaltfrequenz ist und das andere ein auf die Grundwelle der elektrischen Signale abgestimmtes Filter, dessen Ausgangsspannung über einen Verstärker und über einen Schwellenwertschalter auf eine Auswerteeinrichtung gegeben ist und daß zur Steuerung des elektronischen Schalters ein über einen

verzögerten Verstärker und einen Spitzenspannungsspeicher mit der Eingangsspannung des Schwellenwertschalters verbundener Impulsgenerator vorgesehen ist, der das Schaltverhältnis des Schalters im Sinne einer Normierung der Signalamplitude beeinflußt.

Hierbei sind die elektrischen Signale in vorteilhafter Weise über einen Vorverstärker, einen Kondensator, einen weiteren Verstärker sowie ein Filter zur Beseitigung des Netzbrummens dem steuerbaren elektronischen Schalter zugeführt.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Anordnung zur Frequenzerfassung bei konstant gehaltenem Schwellenwert eines Schwellenwertschalters,

F i g. 2 eine Anordnung zur Frequenzerfassung bei variablem Schwellenwert eines Schwellenwertschalters.

Gemäß der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform wird einem Vorverstärker 1 die Herzaktionsspannung mit den Charakteristika QRST zur Vorverstärkung zugeführt. Der in der verstärkten Spannung befindliche Gleichspannungsanteil wird sodann mittels eines dem Regelvorverstärker 1 nachgeschalteten Kondensators 2 abgetrennt. Ein Anzeigeinstrument 3 zeigt die auf diese Weise hergestellte Wechselspannung an. Dadurch wird unmittelbar auf die Amplitude des Signals und auf Störungen hingewiesen. Als Anzeigeinstrument 3 kann zweckmäßigerweise eine Aussteuerungsanzeigeröhre mit einem Verstärker vorgesehen werden.

Die hinter dem Kondensator 2 anstehende Spannung wird außerdem zur Weiterverarbeitung auf einen Verstärker 4 und ein Filter 5 gegeben. Das Filter 5 dient zur Unterdrückung des 50-Hz-Netzbrummens und ist zweckmäßigerweise als Doppel-T-Filter ausgelegt. Sodann wird die verstärkte und gefilterte Spannung einem elektronischen Schalter 6 zugeführt, dessen Schaltfrequenz hoch gegenüber der Frequenz der Heraktionsspannung ist. Der elektronische Schalter 6 unterbricht die angelieferte Spannung periodisch und gibt sie an das Tiefpaßfilter 7 weiter, das den Einfluß des elektronischen Schalters 6 auf die Kurvenform der Herzaktionsspannung wieder beseitigt, so daß am Ausgang des Tiefpaßfilters 7 die R-Zacke in unveränderter Form, aber mit geänderter Amplitude ansteht. Diese Spannung wird noch einmal durch den Verstärker 8 verstärkt und einem weiteren Filter 9 zugeleitet, welches die mittlere Frequenz der /?-Zacke der Herzaktionsspannung begünstigt und gleichzeitig die anderen Frequenzanteile, die von Muskelaktionsspannungen und Artefakten sowie der T-Welle herrühren können, unterdrückt. Nach nochmaliger Verstärkung durch den Verstärker 10 wird die Spannung als Ausgangssignal auf einen Schwellenwertschalter 11 gegeben, der eine nicht dargestellte Auswerteeinrichtung, z. B. eine Frequenzanzeige od. dgl. ansteuert. Das am Ausgang des Verstärkers 10 anstehende Signal wird aber gleichzeitig zur Steuerung des Schalters 6 verwendet. Dies geschieht in der Weise, daß es zunächst in einen Spitzenspannungsspeicher 12 mi eingegeben, sodann einem verzögert ansprechenden Verstärker 13 zugeführt und schließlich auf einen Impulsgenerator 14 gegeben wird. Der Impulsgenerator 14 steuert seinerseits den elektronischen Schalters. I tat das Ausgangssignal eine relativ hohe Amplitude, so bs steht im Spitzenspannungsspeicher 12 eine hohe Spannung an. Eine hohe Spannung im Spitzenspannungsspeichcr 12 bewirkt aber, daß das Tastverhältnis des Impulsgenerators 14 z. B. erhöht wird und somit die am Ausgang des Filters 5 anstehende Spannung länger unterbrochen wird. Dadurch ergibt sich nach dem Durchlaufen des Tiefpasses 7 eine Spannung mit niedrigerer Amplitude. Umgekehrt wird im Falle eines niedrigen Ausgangssignals das Tastverhältnis des Rechteckwellengenerators vermindert und somit die Amplitude der hinter dem Filter 7 anstehender Spannung erhöht.

Die Regelschaltung bewirkt also, daß trotz dei unterschiedlichen, von den jeweiligen Untersuchungs· personen abhängigen, am Eingang des Vorverstärkers 1 anstehenden Aktionsspannungsamplituden ein in dei Amplitude konstantes Ausgangssignal am Schwel lenwertschalter 11 entsteht.

Damit der Schalter 6 aber nicht schon dann mit einem erhöhten Tastverhältnis beaufschlagt wird, wenr bei demselben Patienten Schwankungen in der Höhe einzelner /?-Zacken auftreten oder die Γ-Welle größei als normal ist, spricht der Verstärker 13 nur verzöger an. Eine derartige Verzögerung ist in der Zeichnung durch den Kondensator 15 angedeutet Die Schwelle de; Schwellenwertschalters 11 wird zweckmäßigerweise se weit unter den Wert des Ausgangssignals gelegt, dai er mit Sicherheit anspricht.

In der erfindungsgemäßen Schaltung nach F i g. Ά wird die Herzaktionsspannung einem Verstärker K zugeführt und sodann auf ein Filter 17 gegeben. Dei Ausgang dieses Filters 17 ist einerseits mit einen-Eingang eines Vergleichen 18 und andererseits mi' einer Diode 19 verbunden. An die Diode 19 sind zwei ir Reihe geschaltete Widerstände 20, 21 und eir Kondensator 22 angeschlossen. Von der Verbindungslei lung zwischen den Widerständen 20, 21 führt eir Anschluß an den zweiten Eingang des Vergleichers 18 Der Ausgang des Vergleichers 18 liegt an einer mono stabilen Kippstufe 23, die ihrerseits über einer Widerstand 24 an ein Meßgerät 25 angeschlossen ist Parallel zu diesem Meßgerät 25 liegt ein Kondensatoi 26. Die durch den Verstärker 16 und das Filter l: gewonnene Λ-Zacke der Herzaktionsspannung wird ir dem aus der Diode 19 und dem Kondensator % gebildeten Spitzenspannungsspeicher abgespeichert.

Die der Amplitude der /?-Zacke entsprechende Span nung fällt somit über den beiden Widerständen 20 unc 21 ab. An jedem der beiden Widerstände 20 und 21 lieg ^also eine Spannung an, die kleiner als die maximal« Amplitude der Herzaktionsspannung ist und wobei di< abgegriffene, an den Vergleicher geführte Spannung al: Schwellenwertspannung betrachtet werden kann. Di sich der Kondensator 22 im Laufe der Zeit entlädt, win stets auf die innerhalb eines begrenzten Zeiträume anstehende maximale Amplitude der Herzaktionsspan nung aufgeladen, so daß die Schwellenwertspannuni von dieser maximalen Amplitude abhängt. In den Vergleicher 18 wird festgestellt, ob die der Amplitudi einer ankommenden Ä-Zacke entsprechende Spannunj größer oder kleiner als die gerade vorhandene aufgrund der Zeitkonstante des ÄC-Glieds zeitlich abfal lende Schwellenwertspannung ist. Ist sie größer, so win die monostabile Kippstufe 23, welche eine konstanti Standzeit und eine konstante Amplitude aufweist, ange steuert.

Die Kippstufe 23 gibt daraufhin einen genau definier ten Impuls ab, der zur Herzfrequenzmessung herange zogen werden kann.

In der Zeichnung ist als Anzeigegerät 25 für die Herz frequenzmessung ein einfaches Drehspulgerät darge

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stellt, welches auf die Spannung anspricht, die durch die darin, daß die Fehler, welche bei der Bestimmung der

Integration der von der Kippstufe 23 abgegebenenen Herzfrequenz durch die von Patient zu Patient

Impulse mittels des Widerstandes 24 und des unterschiedlich hohen Amplituden verursacht werden

Kondensators 26 entsteht. können, automatisch korrigiert werden, so daß eine

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen 5 genaue Anzeige der Herzfrequenz möglich ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnuimcn

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur störungsfreien Frequenzerfassung von Störsignale aufweisenden, durch quasiperiodische, biologische Vorgänge hervorgerufenen elektrischen Signalen mit schwankenden Amplitudenspitzenwerten, unter Verwendung eines Schwellenwertschalters und einer Vorrichtung zur automatischen Regelung, durch welche die auszuwertenden Spitzenamplituden bezüglich einer Schwellenspannung auf einen bestimmten, zur Erfassung geeigneten Wert gebracht ist, d a d u r c h gekennzeichnet, daß zur Amplitudenänderung eine Regelschaltung (12,13,14) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von der am Ausgang der Regelschaltung stehenden Sigt.alamplitude einen elektronischen Schalter (6) in seinem Tastverhältnis steuert, der das Signal mit einer gegenüber der Signalfrequenz hohen Frequenz zerhackt und dadurch die Amplitude des geglätteten Signals verändert, so daß durch diese Rückkopplung die für die Frequenzerfassung herangezogenen Amplituden der elektrischen Signale auf einen konstanten Wert geregelt werden, der über einem fest vorgegebenen Ansprechwert des Schwellenwertschalters (11) liegt (Fig. 1).

2. Anordnung zur störungsfreien Frequenzerfassung von Störsignale aufweisenden, durch quasiperiodische, biologische Vorgänge hervorgerufenen elektrischen Signalen mit schwankenden Amplitudenspitzenwerten, unter Verwendung eines Schwellenwertschalters und einer Vorrichtung zur automatischen Regelung, durch welche die auszuwertenden Spitzenamplituden bezüglich einer Schwellenspannung auf einen bestimmten, zur Erfassung geeigneten Wert gebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungsvergleicher (18) als Schwellenwertschalter vorgesehen ist, dessen Ansprechwert in Abhängigkeit von den für die Frequenzerfassung herangezogenen Amplituden verändert wird, indem letztere dem einen Eingang des als Schwellenwertschalter dienenden Vergleicher (18) über einen Spitzenspannungsspeicher (19, 22) mit nachgeschaltetem, eine Zeitkonstante der Speicherung bedingenden Spannungsteiler (20, 21) zugeleitet, dem anderen Eingang aber direkt zugeführt werden, und der Vergleicher (18) derart ausgelegt ist, daß er immer dann einen' Impuls abgibt, wenn die ihm direkt zugeführte Amplitude größer ist als die über den Spannungsteiler (20, 21) zugeführte Schwellenwertspannung, welche aufgrund der Zeitkonstante des /?C-Gliedes (20, 21,22) zeitlich abfällt und am Spannungsteiler (20, 21) abgegriffen wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem in Abhängigkeit von der Amplitude der elektrischen Signale in seinem Schaltverhältnis steuerbaren elektronischen Schalter (6) zwei diesem Schalter (6) nachgeschaltete Filter (7,9) vorgesehen sind, von denen das eine Filter (7) ein Tiefpaß zur Sperrung der Schaltfrequenz ist und das andere ein auf die Grundwerte der elektrischen Signale abgestimmtes Filter (9) ist, dessen Ausgang über einen Verstärker (10) und über einen Schwellenwertschalter (11) an eine Anzeigevorrichtung angeschlossen ist, und daß zur Steuerung des elektronischen Schalters (6) ein über einem verzögerten Verstärker (13) und einem Spitzenspannungsspeicher (12) mit der Eingangsspannung des Schwellenwertschalters (11) verbundener Impulsgenerator (14) dient, der das Schaltverhältnis des Schalters (6) im Sinne einer Normierung der Signalamplitude beeinflußt.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu überwachenden elektrischen Signale über einen Vorverstärker (1), einem Kondensator (2), einem weiteren Verstärker (4) sowie über ein zur Beseitigung des Netzbrummens dienendes Filter dem steuerbaren elektronischen Schalter (6) zugeführt werden.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1,3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kondensator (2) und dem Verstärker (4) ein zur unmittelbaren Anzeige der Amplitude und zum Hinweis auf Störungen dienendes Anzeigeinstrument (3) angeschlossen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (18) mit einer monostabilen Kippstufe (23) verbunden ist, welche über einen Widerstand (24) ein Drehspulmeßgerät (25) ansteuert, dem ein Kondensator (26) parallel geschaltet ist.