DE1963748A1 - Verfahren und Digitalsystem zur automatischen Abschaetzung von unregelmaessigen Kurven,insbesondere Elektromyogrammen - Google Patents
Verfahren und Digitalsystem zur automatischen Abschaetzung von unregelmaessigen Kurven,insbesondere ElektromyogrammenInfo
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Description
Pr. O. Drttminn K. L Schiff Dr. A. ν. Fürwr Dipl. Ing. P. Strahl
Patentanwalt·
Patentanwalt·
β Mönchen 90, M^hiifpou a·3, t.woo 434040
zu der
Patentanmeldung der
Polska Akademia Nauk, Instytut Automatyki,
Warschau/Polen,
betreffend
zur automatischen Abschätzung von unregelmässigen Kurven,
insbesondere Elektromyogrammen.
(Priorität: 20. Des.1968, Polen, Nr. P-130 689)
Di· Erfindung bezieht sich auf. ein Verfahren
wir automatischen Abschätzung von unregelmlssigen Kurven,
insbesondere Elektromyogranmen, und dient zur Ermöglichung
der Entscheidung, ob die untersuchte Kurve zu einer definierten, einen bestinaaten^pathologischen, Komplex charakterisierenden
KttTvenklaase gehört§ die Erfindung betrifft ferner
•in Digitaleystem zur Durchführung dieses Verfahrene, das
"MvoSstiaator" bezeichnet wird.
Di· Abschätzung und Analyse von zeitlichen elektromoygraphisehen
Vorgängen mit unregelmässiger Form wurde bisher visuell durchgeführt, indem beispielsweise die Kurve
auf einem Oszilloskop beobachtet oder eine mit einem Schreibgerät
aufgenommene Aufzeichnung der Kurve analysiert wurde.
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Di·»©· Verfahren ist jedoch wegen der Subjektivität der von
den Beobachter durchgeführten Schätzung nachteilig. Dabei
ist BU beachten, dass in Falle der Beobachtung der Kurven
auf des Oszilloskop eine Analyse seitraubend und problematisch
ist, da die Vorginge niaht aufgezeichnet werden, in·
folg· ihres nicht periodischen Verlaufe nicht wiederholbar sind und daher keine Garantie besteht, dass sie erhalten
bleiben. Die Abschätzung der Vorgänge hängt daher vom Erinnerungsvermögen,
der übung und der Ermüdung des Beobachters ab·
Das in einer Betrachtung von Aufzeichnungen der
Vorgänge bestehende Verfahren ist der visuellen Methode zwar überlegen, ist jedoch kostspielig und erfordert eine besondere
Behandlung der Aufzeichnungen.
Sin· genaue quantitativ· Abschätzung von Elektro—
ugrmm ist bisher nicht erfolgt.
Die Notwendigkeit «in«r genauen Analys· von Zeitrorgjtngen
mit mnregelmäasigexa Verlauf, insbesondere von Klektromyogrsmmen,
tritt in der Humanmedizin dort auf, wo die Leistungsfähigkeit von Muskeln untereuoht werden soll, die
von einer Krankheit befallen waren« In diesem Fall ist ea
erforderlich, di· genau· Leistungsfähigkeit des Muskels vor und nach der Behandlung au kennen.
Ziel der Erfindung ist es, «in Verfahren sur
Analyse vnd Abschätzung von unregelmässlg verlaufenden
Vorgängen, insbesondere von £lektromyogrojssen, zu schaffen,
das gestattet, di· Unrollkoamenheitwi bisheriger Methoden
au beseitigen und eine automatisch· Abschätzung zu liefern,
di» di· Entscheidung ermöglicht, ob di· untersuchte Eurre
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MJ74I
der «inen bestimmten pathologischen Komplex charoktvrl el er enden
Enrvenklasee angehört.
Ziel der Erfindung iet weiterhin ein Systea, das
eioh in Verbindung mit typischen Elektroayographen verwenden
lässt und eine Automatisierung des Mess- und Abschfitsvorgangee
von Elektroayogrammen gev&hrleistet.
Das Wesen dee erf liidungsgeial ssen Verfahrens besteht
darin, die den untersuchten Vorging charakterisierenden •Tf-Grooeen festisust eilen; dabei handelt es sich insbesondere
ua den Interferenz-Koeffizient den mittleren' Scheitelwert, das Tastverhältnis des Vorganges und denjenigen Kooffi-Kient,
der die Anzahl τοη Impulsgruppen in dem Vorgang charakterisiert.
Die Feststellung erfolgt durch Umformen des untersuchten Vorganges durah automatisierte Verarbeitung, wobei
alt mathematischen Operationen gearbeitet wird, die jede
dieser Grossen eindeutig definieren.
Der Interferenn-lCoeffiKtent i«t dl· 5fcwn« nm-r Produkte nun d*r Ansah! τοπ Saxobetagra 4t« Torpuigs oder Signale
durch fest« V«f«l« aal geeigneten Faktoren, die als "Pegelgewiohte"
bemeichnet warden. Diese Gewichte werden experimentell
gewählt. Die ßestinaung des Interferene-toeffizienten
erfolgt durch automatische SuBsderung der erwähnten Produkte.
Unter dea mittleren Scheitelwert versteht man
einen Mittelwert aus aeitweiligen Maximalwerten des Vorganges
Ober ein gewähltes Zeitintervall. Dan mittleren Scheitelwart erhalt man durch ain Umformen des Vorgangs, da* darin
besteht, dass automatisch der Mittelwert aus den Scheitelwarten
in den, gewählten Zeitintervall genommen wird.
BAD ORIOHNAL
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Oma Tastverhältnis des Vorgang·· ist da· Verhaltni·
dm Integrale aus d«a untersuchten Vorgang Ober «in gegebene·
Zeitintervall su dessen mittlerem Scheitelwert. Diesen
Faktor erhalt raan durch automatische Integration und Division des Integrale durch den mittleren Scheitelwert.
Die Anzahl der in den Vorgang vorhandenen Impuls« gruppen vixd durch Ausa&hlen der kohärenten Impulsgruppen in
dem gegebeen Zeitintervall bestirnt. Als kohärente Impulsgruppe
versteht man eine susanmenhftngende Folge von Iiq>uleen
einer Miztdestdauer von 1 Millisekunde, wobei innerhalb der
Polge das Signal Ober ein Zeitintervall von höchstens 10 Millisekunden wenig et en· 15 % des Maximalwertes betragt.
Das Wesen des erfindungegemaasen Digitalsystems
•er Durchführung des automatischen Absohatftverfahrens besteht
la folgender Schaltung! eine da· su «ntersuchende Elektromyograme
eneugeode lingangestufe 1st mit vier Messauagangska·
allen verbanden, die die für die su untersede Curve charakteristischen
Grossen ermitteln und das Ausgangesignal der Singangsstufe transformieren. Diese Kanäle-arbeiten parallel
und unabhängig voneinander. Zur Automatisierung der Kurventransfon&tijm
ist jeder der Kanäle mit einer Steuerstufe verbunden· Jeder Canal besteht aus mehreren Elementen: einem
Transformationselement, einem Komparator, einem Zeitgatter,
einem Zflhldekodlerer, einem Elemet, das entsprechende Signale
am Anzeigegerät· abgibt sowie aus den Anzeigegeraten. Samtliehe
Kiemente mit Ausnahme de« Traneformationselement· sind
in allen Kanälen gleich·
Das Traneformationselement ist selbetveret&ndlich
in jedem Kanal verschieden. Das digitale Ergebnis wird dabei als digitaler Sch&tswert (zwischen 0 und 9) einer gegebenen,
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di« stt untersuchende Kurve charakterisierenden Gross« ausgegeben,
dl« der Intensität dieser Gross« in dom gewählten Zeitintervall
proportional ist·
Die Steuorstufe besteht aus einem Schwingungsgenerator, einem Messimpulsgenerator, einem Sägezahngenerator
mit konstanter Amplitude, einem Sägezahngenerator mit modu.
llerter Amplitude, einem Generator zur Steuerung dee die Anfangsbedingungen
einführenden Elementes sowie einem Genera· tor für Suckstellimpulse. Dia Stufe steuert die Messauegangskanile·
Das Wesen des «rfIndungsgemla sen Systems besteht
darin, dl« für Sl«ktromyogramma charakteristischen GrOssen
in eindeutiger und für medizinische Diagnosen von Kuskelerkrankungen
ansreichenderwelse zu bestimmen und dadurch eine
Abschätzung dieser Eurven frei von subjektiven Faktoren zu
ermöglichen.
Im folgenden ist ein Ausf nhningf bei spiel der Ir·
findung anhand der Zeichnungen beschrieben; darin zeigen:
Fig. 1 die wesentlichen Merkmale eines "Hvotstimator*
genanntes Digitalsystems;
Fig. 2 das Ausgangssignal eine« Slektromyographen, das
d«r ßingangsstufe des Myoastinators ala Funktion U1n · f(t)
zugeführt wird; .
Fig· S «in Blockschaltbild des Myoastimators aur Durchführung
des erfindungsgemasflen Verfahrenst
Fig, 4 das Signal am Ausgang der Kingangastuf« ala Funktion IT11* · f(t)j
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Fig. S* dc« Signal a» Ausgang daa Tranaformationeel«
t«e in da* MaaeouogangskaneJ. far dan IntairfereiwKoeffisient
ala Funktion U^ - f(t), wobei in dex Kurve 9out - f(t) dia
<3r0aeen öi# ÖJ# Qy Q^ angaben, «ie oft diese Karre den betreffenden
Pegel durchlauft;
Fig· Sb daa Signal aa Auegang dee Tranaformationseleaentee
in den Hessausgangskanal für den mittleren Scheit el wert
ala Funktion Tf^ ■ f (t) zeigt, wobei auch die Punktion
Fig. So daa Signal am Ausgang des Transforsationselementea
in dam Meaakanal fflr daa TaatTerhtltnia ale Funktion
- f(t)j und
Fig· Sd daa Signal aa Ausgang dee TrftnsfoxBationaeleaen·»
tea in des Messkanal f Qr die Anaahl von Iepttlegruppen ale
Funktion 1^4 · f (t), wobei die Kurve C0 - f Ct) die Aufzeichnung
dar (Sruppensahl in Digital form und die Kurve Uj^ - f (t)
die Aufmeichnung is Falle dar Analogsihlung ist·
Der in Fig. 3 geeeigte MvoAatiaator war in eines
spesiellen Fall ala Transistorgerit auageffthrt worden. Ein
solonee Oartt liesse sich jedoch auch sit anderen Techniken,
beispielsweise unter Verwendung von Vakuumröhren, bauen.
Das in Fig. 2 gte AwagangaaJgnal eine« filektiusyogfii|ihan
ist ein unregelmlseiger Vorgang, dar dar Bin·
ongsf daa lfvoaatisatore sugaffthrt wird. Di· Singangastufe
V^ stellt den entsprecoenden £ingangewiderstand und
daa Freqoeaihend sicher, Daa Signal von das Elektromyographen
wird doroh BShrengleiohrieiitang usgeforst und dann des
System angefahrt, in atm die Signalanalvee at at t findet. Die
Analyse wird in vier Keasausgangskan&len durchgeführt; ana-
6ft0
lOMoa/nto
lysiert werden der Interferenskoeff!slant, der mittlere Scheitel
wert, de« Tastverhältnis dee Vorgänge und die Anmahl von Impulsgruppen In dem Vorgang. Diese Kanäle sind ait Kp K2*
T.y F^ bezeichnet·
Die Kanäle C1, K2, E3, K4 haben den gleichen Auf·
bau und weisen jeweils am Ende eine ÄnBelgeoinheit W2 auf,
dae den digitalen Schatzwert des jeweiligen Parameters des
Vorgangs darstellt·
Das digitale Myo&stinator-Systea tür Durchführung
dee erfindungegeaäason Verfahrene ist scheaatlsch in Fig. 3
dargestellt· Die Kanäle K^, K«, K., K^ bestehen aus ahnlichen
Elementen, nlallch einen Transforaatloneelement CP, das ein
der Intensität des Parameters (Grosse) in des gewählten Zeit«
Intervall (ÜMalnterraii) proportionales Signal erseugtf einen
Komparator KD« einem Zeitgatter BC9 elneei ZAhldekodlerer LD
sowie einem Steuersystem SM sur Steuerung amx Anzeigegeräte
VIC. Diese Elemente arbeiten alt weiteren Elementen einer
Steuaretofe US «mummen; In Abhängigkeit davon, in welches
Kanal sie «loh befinden und eur Analyse welches Parameters
si· daher beitragen, sind eie mit den jeweiligen Elementen
der Steuerstufe verbunden,
Der Betrieb der Kanäle but Analyse und Abeohätsung
der dae Uektromvogramm oharakterlelerenden GrOssen erfolgt
parallel, unabhängig und gleichseitig« Das analysierte Klefctrostyogramm ist ein Zelt Vorgang mit unregelmässigem Verlamf,
wie er in Fig. 1 geselgt ist· Die Signalkurve wird der
Elngangsstufe U^ des Xyoästlmators Bugefllhrt und gewährleistet
den geeigneten Widerstand und das entsprechende Frequensband· Der Vorgang wird in der Eingangestufe TJ^ ausgeführt.
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Dm in Fig· 4 geeeigte Signal a* Ausgang der JEingangsstufe
wird dann in Transformatlongelementen CP der Messausgangskanale
angefahrt. Xn dea ersten Canal K1 wird der
Interferensücoeffisient ermittelt. Das in Fig. 5a gezeigte
Signal U^ · f(t), das der Intensität des Parameters proportional
ist, entsteht an Auegang des Transformationselementes
in de» ersten Kanal. Dieses Signal wird dann in den ansahlitte·
senden Elementen des Kanals automatisch veiter-verarbeitet
und in der Anzeigeeinheit VC infona τοη Digitalwarten zwisohen
0 und 0 angeseigt. Der angeseigte Digitalwert bildet
die Information Ober die Intensität der analysierten Qrösse.
Die Übrigen Kanlle arbeiten ahnIioh. Der Kanal
K^ transformiert das Signal am Ausgang der Kingangestufe U^n
in das in Fig. 5b geseigte Signal U^2 * * (*h dae einQ In"
formetion flber die Intensität des mittleren Öoheitelwertee
fQr ein gegebenes Messinterrall darstellt j der Kanal K3
transformiert das Signal der Bingangsstufe U^n in das in Fig.
So geseigte Signal Uj.^ - f(t), das die Information über die
Intensität des Tastrerhaltnissee darstellt; und der Kanal
K4 transformiert das Signal τοη der Singangsstnfe U^n in daa
in Fig· Sd geseigte Signal U^ · f(t), das die Information
ttber die Ansahl τοη Gruppen in dem gegebenen Messinterrall
darstellt.
Di· Elemente, aus denen die MessausgangsVanlie
beetelten, werden duroh entepreohende llemante der Steuerstmfe
HS gesteuert. Diese Stufe erseugt «in« Folg· τοη 3tee-•risfmlsen,
die dann u—Iss Fig· 3 den Elementen der Kanäle
sogefHhrt «erden·
.Die Steuerstuf· erseugt die folgenden Signale:
das die Betriebeperiode (1 Sekunde, 2 Sekunden, 3 Sekunden)
BAD ORlöi
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bestimmende Signal, Ruakrtellimpulse (die den Zustand der
Zahler aus de« vorhergehenden Betriebsintervall suxUcksiellen),
die Messimpulse, die erzeugende Elemente, vie einen S&gesahngenerator, einen Taktl&pulsgenerator, einen Genera»
tor für Impulae Kum öffnen τοη Gattern sowie einen Generator
von dem Eingang der Transforaationselenente CP angeführten
und die Anfangsbedingungen einleitenden Impulsen, tasten.
Es sind Bwei S&geaahngeneratoren vorhanden; der
eine daron eraeugt Impulse konstanter Amplitude, wahrend der
svelte Impulse erseugt, deren Amplitude mit dom Wart der mittleren
Soheitelamplitude des Eloktromyogramas moduliert 1st. Die
S&gezahnimpulse des sswoiten Typs werden in den Kanal zur Messung
des Tastverh<nisses verwendet·
Die Impulse vom Taktgenerator werden sämtlichen
Kanälen sugeftthrt· Die Impulse sum öffnen von Gattern (die
den Gattern in statliahen Kanälen angeführt werden) werden
aus dem Messimpuls geformt«
Am Ende des Messimpulses und tiaoh Beendigung der Messung wird ein Impuls erseugt, der das die Eingangebedingungen
einführende Element steuert. (Dieses Element befindet sich in de« Tranaforaationseleaent CP.) Dies bewirkt, dass
die Potentiale, die die Intensitäten von speziellen, in der
vorhergehenden Betriebeperiode des Systems erhaltenen Parametern
darstellen, in den einseinen Kanllen auf den Wert VuIl sttrtokgeführt werden, woraufhin die «weite Betriebs·
period· beginnt· Die Absohfttsung von Parametern eines *lek<*
tro«yographisohen Vorgangs besteht darin, dass jeden Para·
«eter der Digitalwert («wischen 0 und Ö) in Abhängigkeit
von der Intensität dieses Parameters in einem bestimmten Zeitintervall angeordnet wird. Der Messvorgang lauft folgen·
BAD
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derma·*« abi nach De»nri1</nny jeder 1 Sekunde, S Sekunden
oder 3 Watamrtw dauernd·» Arbeiteperiode wird d«r ««gehörige
D«tenv«rarbeltungsYorgang ait Hilf· der Steuerung durch di·
Steuerstufe in dem 1 Millisekunde dauernden Measintenrall
durchgeführt; aodann wird das die Intensität dee Parameter«
darstellend· Potential Bit einem Sagesahnpotential rergliohen.
Da« Zeitintervall τοη dem Moment, in den dae S&gesahn*
potential ansteigt» bis «u demjenigen Kommt, su dem dieses
Potential gleich ist dem die Paramaterintensittt repräsentierenden
Potential, ist aelbstreritlndlich eine lineare Funktion
dea Wertes dieses Potentials· Dieses Zeitintervall wird
mit Hilfe Ton Impulsen einer Dauer τοη O9I MikroseJciinden gemessen.
Dasu wird die Anzahl derjenigen Impulse bestiamt, di·
in dem genannten Intervall das. Gatter passleren kennen. Mit Hilfe eines Zahlers, ein·· Dekodierer· sowie eines die Anzeigegeräte
steuernden Elementes wird dann jeder Iispulsfolg»
der ansttstigend· Digitalwert »«geordnet·
Dieser Digital wert entspricht der Grosse desjenigen
Signal··, das eine gegeben·, das Elektromyograf* charakterisierende
SrOsse repräsentiert, und ist der Schltswert
dieser SrOss··
Besdglieh der eineeinen für da· unregelmtssige
Slektromyogramm charakteristischen Parameter wird das Schltererfehren
im einseinen weiter «nten erSrtert.
Der Nessausgangekanal sur Messung des Interferecutkoeffisienten
ermittelt die Ansahl der Durchginge der Karre dmroh bestisate B*Bugspeg«l und mmltiplisiert dies· dann mit
speziellen Komponenten, den sogenannten Pegelgewiohten. Darunter
Tereteht man die susatslichen Koeffisienten, die experimentell
derart gewählt werden, da·· sie die test· Unter-
1OtlOI/11SÖ
teilung τοη Signalgruppen in getrennte Klassen gevlhrleieten·
Der Interferenskoeffislent iet unabhängig von der Amplitude
der Kurve, was selbstverständlich nötig ist, daait der Schatewert
3ignifikana erreicht. Erzielt wird diee durch einen Veretlrker
alt automatischer Verstarkungssteuerung. Pie Zeitkonatante
der autoaatischon Varetarkungseteuerung let βο gewählt,
daes die Steuerung nur dann wirkt, wenn eich die Aaplitude
Ober ein grösseres Zeitintervall Ändert; die vorübergehenden
Aaplitudenanderungen, welche die charakteristischen Merkmale der Kurve sind, bewirken selbstverständlich keine Änderung
der Verstärkung.
In dea Kanal, in dea der aittlere Scheitelwert
abgesohltst wird« wird das Signal nach Gleichrichtung der
Scheltelwertbestiosiung unterzogen. Die Zeitkonstante 1st dabei
so gewthlt, dass «an als Ergebnis den adttieren Scheitelwert
erhalt, wahrend kursfteitige Aaplitudenanderungen, die
nicht repräsentativ für die Kurve sind, vernachlässigt werden.
Der Mittlere Scheltelwert der Kurve über eine gegebene Zeitperiode
wird aufgehoben und aa Ende des Messintervalle abgegeben. Dieser Vorgang erfolgt durch Vergleich des die Para-■eterinteneitat
darstellenden Potentials mit dea Slgesahnpotentlsi.
Aes der Messung des Zeitintervalle »wischen de· Anfangspunkt des sagesaknpotentials und dea Noaent, in dea beide
Potentiale gleich sind, wird der digitale SohAtswert des gegebenen Parameters gefunden.
Die Schatsgrösse fttr das Tastverhältnis erhalt
aan dmroh Division des Integralwertes der Kurve durch ihren
aittleren Scheitelwert.
* Dieses Verfahren gewährleistet, dass die Abschat~
von der Kurvenaaplitude unabhängig ist* Das in der Mess*
10II0I/11I0
Periode aufgenommene, das turvenintegral darstellende Signal
wird alt de« Slgexahnpotentlal verglichen, dessen Amplitude
■it dee. mittleren Scheitelwert moduliert 1st. Dies vermittelt
die «rwflhnte Unabhtngigkelt·
Die Anzahl von Impulegruppen in der untersuchten
Kurve erhllt man mit Hilfe der Schaltung aus den "Busammenklebenden"
Impulsen, deren Zwischenintervalla nicht länger als 10 MiHiSekunden sind.
Der erfindungsgemtsse Hyo&stimator vermittelt
die für die klinische Praxis und Diagnose erforderliche Genauigkeit.
Hinsusufligen ist, dass Dank des erfindungagram&seen
Verfahrens der Analyse und Abschätzung von Elektronyogranuaen
die Schatewerte frei von subjektiven Faktoren sind und Digitalform haben; daher sind sie leicht eu merken und asu vergleichen,
falle die Diagnose mehrmals durchgeführt wird. Wich« tig ist, dass die Untereuchungsseit etwa 10 mal kürser ist,
als bei herkömmlichen Methoden und dass sich die !411arbeit
von Laborassistenten sur Analyse von AufBelohnungen erübrigt«
DAD
10M0I/1160
Claims (1)
1. Verfahren zur automatischen Abschätzung von unregelmäßigen Kurven, insbesondere Elektromyogrammen, zur Ermöglichung
der Entscheidung, ob die untersuchte Kurve zu der vorgeschriebenen Klasse von für einen bestimmten, etwa pathologischen, Komplex
charakteristischen Vorgängen gehört, dadurch gekenn
zeichnet, daß die den Vorgang charakterisierenden k-Größen, insbesondere der Interferenz-Koeffizient, der Koeffizient
für den mittleren Scheitelwert, das Tastverhältnis und die Anzahl von Impulsgruppen, festgestellt werden, indem der
Vorgang automatisch derart transformiert wird, daß Jeder der genannten Werte eindeutig bestimmt wird.
10980B/1160
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