DE2113248C2

DE2113248C2 - Impedanz-Pneumograph

Info

Publication number: DE2113248C2
Application number: DE2113248A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Warner Lambert Co LLC
Current assignee: Warner Lambert Co LLC
Priority date: 1970-04-03
Filing date: 1971-03-15
Publication date: 1986-08-28
Also published as: DE2113248A1; US3677261A; NL169266C; NL169266B; NL7104079A

Description

ziehen eines manuell gesteuerten Potentiometers, oder Gleichrichten der gesamten Thoraxspannung und Vergleich mit einer manuell gesteuerten Gleichstrom-Bezugsspannung in einem Gleichstrom-Diffhrentialverstärker oder Kompensieren der unerwünschten konstanten Komponente der Thorax-Spannung in einer Brückenschaltung, oder Anwenden der inhärenten Modulationscharakteristika der Thorax-Bewegung unter Amplitudenmodulieren des beaufschlagten Signals und sodann Demodulieren. Die aufgrund dieser verschiedenen Arbeitsweisen erhaltene Atmungsinformation kann auf einer Anzahl von Ablesevorrichtungen aufgezeigt werden; hierzu gehören Papieraufzeichne'r, Digital- und/oder Analogmeßanzeiger für die Atmungsfrequenz, Oszilloskope üsw.

Die US-PS 33 40 867 zeigt z.B. einen Impedanz-Plethysmographen für das Messen der Herzleistung, der leicht auf das Messen der Atmungsfrequenz angepaßt werden kann. Es liegt hier ein manuell betätigtes Potentiometer für das Kompensieren der unerwünschten konstanten Spannung vor. Die US-PS 31 49 627 beschreibt einen Plethysmographen für das Messen des Blutflusses, der ebenfalls auf das Messen der Atmungsfrequenz angepaßt werden kann, wobei eine modifizierte Kelvin-Doppelbrückenschaltung für das Kompensieren der unerwünschten konstanten Spannung angewandt wird. Auf allgemeine Erläuterungen in diesen Veröffentlichungen sei hier hingewiesen.

Es gibt viele Probleme, die bei den derzeitig zur Verfügung stehenden Arbeitsweisen für das Überwachen der Atmung auftreten. Diese Probleme werden durcn erhebliche Veränderungen in der durchschnittlichen Thorax-Impedanz von einem zum anderen Patienten verursacht. Diese Probleme werden ebenfalls durch erhebliche Veränderungen der mittleren Thorax-Impedanz des Thorax einer Person bedingt, und zwar auf grund einer Bewegung dieser Person, z. B. wenn sie sich im Bett umdreht.

Bei der technischen Lösung z. B. vermittels Modulation im Zusammenhang mit der Signalverarbeitung, wo eine Demodulation, eine Wechselstromankopplung, Gleichstrom-Verstärkung und Signal-Rechteckwellen erforderlich sind, machen starke Veränderungen in der mittleren Thorax-Impedanz in der Größenordnung von 5 :1 es erforderlich, daß ein Demodulator so ausgelegt wird, daß derselbe über einen großen Aussteuerungsbereich arbeitet. Da die Tiefe der Modulation oder das Verhältnis der Modulations-Spannungskompopente zu der Trägerspannungs-Komponente sehr klein ist, führt das Erfordernis eines großen Aussteuerungsbereiches zu einer Komplikation bezüglich des Aufbaues des Demodulators.

Weiterhin führen die starken Veränderungen der durchschnittlichen Thoraximpedanz in Kombination mit der Wechselstromankopplung zu einer »Totzeit« innerhalb derer der Gleichstrom-Verstärker sich aus der Sättigung erholt, wodurch es zu fehlerhaften Ablesungen kommt. Diese »Totzeit« ist recht lang aufgrund der erforderlich großen Zeitkonstante der Wechselstrom-Ankopplung.

Die offensichtlichen Nachteile der anderen Arbeitsweisen zur Signalverarbeitung bestehen darin, daß zusätzlich zu den oben angegebenen Problemen eine manuelle erneute Abgleichung oder Kompensation erforderlich ist für das Kompensieren der großen durchschnittlichen Veränderungen der Thoraximpedanz.

Eine technische Lösung dieser Probleme des erneuten Abgleiche oder Kompensation, Sättigung und Totzeit hat man in Form der Verstärkungssteuerung gesucht Jedoch ist die herkömmliche AVS (automatische Verstärkungssteuerung) nicht anwendbar. Bei einem herkömmlichen AVS-System stehen die Fehlerkorrektionszeit und die Frequenz des interessierenden Signals in Beziehung zueinander. Die Fehlerkorrektionszeit muß über der Zeitspanne des interessierenden Signals liegen. Eine herkömmliche AVS-Schleife Tiuß eine wesentlich längere Zeitkonstante als die längste Periode

ίο der von dem Patienten erhaltenen zweckmäßigen Information aufweisen, denn ansonsten könnte das Informationssignal als solches aussehen wie eine sich verändernde Trägeramplitude. Eine derartige AVS-Schlaufe mit arteigener Nachlaufcharakteristik in Anwendung auf dieses Problem der Verstärkungsstabilisation würde zu unannehmbar langen Übergangszeiten führen.

In der US-PS 34 33 217 ist eine Einrichtung zur Überwachung der Atemtätigkeit beschrieben, die ein Trägersignal verwendet, das von Impedanzänderungen des Thorax moduliert, anschließend verstärkt und demoduliert wird.

Um außerhalb der Atemfrequenzen liegende Impedanzänderungen unschädlich zu machen, ist dort weiterhin eine Rückkopplungseinrichtung zum Generator des Trägersignals vorgesehen, die frequenzabhängig arbeitet. Es gelten daher ebenso die obigen Bemerkungen über den Zusammenhang von interessierendem Frequenzbereich und Fehlerkorrekturzeit, so daß auch mit dieser bekannten Einrichtung keine sehr kurzen Ein-Stellzeiten erreicht werden können.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, einen Impedanz-Pneumographen der eingangs genannten Art anzugeben, der eine sehr kurze Einstellzeit für große Impedanzänderung aufweist und trotzdem eine genaue Messung der Atemtätigkeit erlaubt; außerdem soll der Pneumograph möglichst einfach aufgebaut sein.

Die Erfindung erzielt die kurze Einstellzeit mit einem Rückkoppelungskreis zwischen dem Gleichstromverstärker für das demodulierte Signal und dem Wechselstromverstärker für das noch nicht demodulierte Signal; dieser Rückkoppelungskreis spricht nur an, wenn das Gleichstromsignal bestimmte Grenzen nach oben oder unten überschreitet und ändert dann sehr schnell die Verstärkung des Wechselstromverstärkers. Die Amplitude des Oszillators für das Trägersignal bleibt dabei unverändert. Die Ansprechgrenzen der Rückkoppelungseinrichtung werden durch ein relativ einfaches Schaltnetz aus Dioden und Widerständen definiert, mit denen ein Kondensator an der Steuerelektrode eines Feldeffekttransistors geladen oder entladen wird, der Teil eines variablen Spannungsteilers am Eingang der Wechselstromverstärkung ist. Der Aufwand für diese Schaltelemente ist gering. Wenn das Gleichstromsignal die Ansprechgrenzen nicht erreicht, bleibt der Rückkoppelkreis ohne Wirkung auf die Funktion des Pneumographen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockdiagramm nach dem Stand der Technik und zeigt einen Impedanz-Pneumographen oder Verstärkungskompensation,
F i g. 2 ein Teilblockdiagramm des Erfindungsgegen-Standes, wobei die Verbesserung der Verstärkungskompensation in schematischen Einzelheiten wiedergegeben ist,
Fig.3 ein schematisches Diagramm einer wahlwei-

sen erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Im folgenden wird zuerst ein im Stand der Technik bekannter Pneumograph erläutert.

Vorbekannte Verfahrensweisen zur Überwachung, siehe Fig. 1, haben einen Oszillator 10 angewandt, der einen konstanten Strom abgibt, der vermittels des Transformators 11 an zwei Elektroden 12 und 13 angekoppelt wird, die gegenüberliegend zueinander an dem Thorax 14 eines Säugetieres angeordnet werden. Der Thorax 14 eines beliebigen Säugetieres oder eines beliebigen lebenden Wesens, das atmet, wird sowohl einen relativ konstanten Impedanzwert aufweisen, der als »durchschnittliche Thorax-Impedanz« bekannt ist, als auch einen sich verändernden Wert der Impedanz besitzen aufgrund des Ausdehnens und Zusammenziehens des Brustkorbes bedingt durch die Atmung. Bei einem gegebenen Menschen belaufen sich typische Veränderungen der durchschnittlichen Thorax-Impedanz auf einen Bereich von etwa 150 Ω, und typische Werte für die sich verändernde Impedanz belaufen sich auf einen Bereich von etwa 0,6 Ω. Diese V/erte gelten nicht als kennzeichnend für alle menschlichen Wesen, sondern sind vielmehr lediglich A.nhaltswerte und dienen der Erläuterung der Tatsache, daß das Verhältnis der durchschnittlichen Impedanz zu der sich verändernden Impedanz groß ist und sich auf eine Größenordnung von 250 :1 belaufen kann. Die reflektierte Impedanz des Thorax, bedingt durch Transformatorwirkung multipliziert mit dem konstanten Strom S in der Primärwicklung 15 bestimmt die Amplitude der Spannung an der Primärseite des Transformators 11. Diese modulierte Primärspannung wird verstärkt z. B. in einem Wechselspannungsverstärker 17, wie weiter unten erläutert

Da der durch den Patienten hindurchgehende Strom 7 aus Sicherheitsgründen kleingehalten wird (etwa 30 μΑ effektiv), muß das sich ergebende Spannungssignal, das der Atmung entspricht in einem Wechselspannungsverstärker 17 verstärkt werden unter Erhöhen desselben auf einen entsprechenden Wert für die weitere Verarbeitung. Die Ausgangsleistung dieses Verstärkers wird sodann in einem Demodulator IS unier Anwenden herkömmlicher Amplitudenmodulationsverfahren demoduliert um so die Atmungsinformation zu erhalten. Das demodulierte Signal an dem Leiter !9 besteht aus einer kleinen zusätzlichen Spannung, aufgedrückt auf eine große Gleichstromspannung, und das Verhältnis zwischen den zwei Signalen kann sich möglicherweise in der Größenordnung von 1 :250 bewegen. Die große Gleichstromspannung ist proportional der durchschnittlichen Thorax-Impedanz und die kleine zusätzliche Spannung ist proportional der Veränderung der Thorax-Impedanz bedingt durch das Atmen.

Die große Gleichstromspannung ist unerwünscht Dieselbe wird gewöhnlich vermittels einer Wechselstromkopplung über ein Netzwerk 20 entfernt das aus einem Kondensator 21 und Widerstand 22 besteht um so den Wert der Gleichstromspannung auf null an dem elektrischen Leiter 23 zu bringen, und es wird lediglich die kleine zusätzliche Spannung fortgeleitet Die Zeitkonstante der Wechselstrom-Kopplung 20 muß sehr lang sein, da sich in Ruhe befindende Menschen, wie in einem Krankenhausbett so langsam wie nur 5 Atmungszüge pro Minute atmen können. Sonst könnte die zusätzliche Spannung oder das Modulationssignal verzerrt oder wesentlich geschwächt werden durch ein Kopplungsnetzwerk 20, das eine Zeitkonstante aufweist, die zu klein ist Im allgemeinen können große unerwünschte Gleichstromspannungen durch andere Mittel als das Wechselstrom-Kopplungsnetzwerk 20 entfernt werden. So stellt z. B. das Feststellen des Schwellenwertes — nicht in der F i g. 1 gezeigt — eine wahlweise Arbeitsmethode dar, erfordert jedoch ein empfindliches Einstellen der Schwellenwertspannung auf einen Wert, der der durchschnittlich modulierten Trägerspannung entspricht Die Einstellung ermöglicht einen Weitertritt des Modulationssignals. Das Anwenden eines Schwellenwertdetektors erfordert somit das Vorsehen einer Verstärkungssteuerung, um so die durchschnittliche modulierte Trägerspannung konstant zu halten, wodurch ein einwandfreies Arbeiten des Pneumographen ermöglicht wird. Ein Schwellenwertdetektor wird erfindungsgemäß angewandt und weiter unten im Zusammenhang mit der Erläuterung des Erfindungsgegenstandes beschrieben.

Der hier beschriebene Pneumograph nach dem Stand der Technik, sowie weitere, verwendet keine Verstärkungssteuerung oder Stabilisation. Deshalb ist hier ein Wechselstrom-Kopplungsnetzwerk, wie das Netzwerk

20 erforderlich, das mit veränderlichen Trägerwerten arbeitet und den durchschnittlichen Gleichstromspannungswert auf null an dem Leiter 23 verringert, wobei lediglich das Modulationssignal oder eine kleine zusätzliche Spannung fortgeleitet werden.

Die kleine zusätzliche Spannung wird sodann in einem Gleichstromverstärker 24 verstärkt und der Leitung 28 einem Schmitt-Triggerkreis 25 zugeführt unter Umwandeln der phasenförmigen Atmungswellenform in eine quadratische Form. Der Schmitt-Triggerauslaß 26 speist einen Standardwertmesser 27, der einen monostabilen Multivibrator (nicht gezeigt) aufweist Der monostabile Multivibrator wandelt die Schmitt-Ausgangsleistung 26 in eine konstante Impulsbreite um. Sodann führt der Wertmesser 27 zu einer Mittelwertbildungsfunktion an der konstanten Impulsbreite und zeigt die durchschnittliche Atmungsfrequenz der betreffenden Person oder des Patienten.

Wenn der Patient, der im Bett überwacht wird, sich umdreht und so zu einer Verdopplung des Wertes der durchschnittlichen Thorax-Impedanz, wie sie vermittels der an seinem Körper befestigten Elektroden 12 und 13 festgestellt wird, beiträgt wird sich die Gleichstromspannung ausgehend von dem Demodulator 18 verdoppeln. Diese Spannungszunahme wird durch die Wechselstromkopplung 20, bestehend aus dem Kondensator

21 und dem Widerstand 22, angekoppelt und wird den Gleichstromverstärker 24 sättigen, wodurch sich eine »Totzeit« ergibt, bis der Kondensator 21 in wirksamer Weise die Gleichstromspannung an dem Einlaß 23 zu dem Gleichstromverstärker 24 auf den normalen Arbeitswert verringert Selbst wenn die Veränderung der Thorax-Impedanz nicht groß genug war, um zu einer Sättigung des Gleichstromverstärkers 24 zu führen, könnte doch eine erhebliche Impedanz-Änderung immer noch dazu führen, daß der Ausgangswert des Gleichstromverstärkers 24 außerhalb des Spannungsbereiches fällt der für ein einwandfreies Arbeiten des Schmitt-Triggers 25 erforderlich ist Das nicht richtige Funktionieren des Schmitt-Triggers führt, wie weiter oben ausgeführt zu der »Totzeit«.

Erfindungsgegenstand

Die Fig.2 gibt im einzelnen den Erfindungsgegenstand wieder. Ein mit konstantem Strom betriebener Oszillator 10 speist die Primärwicklung 15 des Transformators 11, wodurch über die Transformatorkopplung

die Sekundärwickung den Sekundärstrom 7 durch den Thorax 14 eines Säugetieres (nicht gezeigt) über die Elektroden 12 und 13 leitet Der Erfindungsgegenstand ist nicht auf das Überwachen der Atmung lediglich eines Säugetieres beschränkt, sondern kann auch zur Überwachung der Atmung anderer Lebewesen ^dienen, die atmen. Die reflektierte Impedanz des Thorax 14 multipliziert mit dem Strom 8 in der Primärwicklung 15 bestimmt die Primärspannung an dem Knoten 16. Der Knoten 16 steht in leitfähiger Verbindung mit einem Ende des Widerstandes 43 und das andere Ende steht in leitfähiger Verbindung an dem Knoten 42 sbwohl mit dem Einlaß 48 des Wechselspannungsverstärkers als auch der Abflußelektrode des FET 38. Der dem FET 38 zugeordnete Schaltkreis wird erläutert, nachdem eine Erläuterung des Signalflusses durch den Wechselspannungsverstärker 17 im folgenden gegeben ist.

Die Spannung an dem Einlaß 48 des Wechselspannungsverstärkers 17 ist ein 50-kHz-Träger, der vermittels der Thorax-Impedanzveränderungen auf eine typische Tiefe von 0,5% amplitudenmoduliert wird. Der Wechselspannungsverstärker 17 verstärkt sowohl die Trägerkomponente als auch die Modulationskomponente, und die von dem Verstärker 17 abgegebene Ausgangsleistung wird vermittels des Leiters 6 dem Einlaß des Demodulators 18 zugeführt. Der Demodulator 18 entfernt die Hälfte des modulierten Trägers, z. B. die negative Hälfte und filtert ebenfalls die Trägerfrequenzkomponente heraus, wobei sich an dem Auslaß 19 desselben ein Gleichstromsignal verändert, und die Abweichung derselben stellt die Trägeramplitude dar. Dieses sich verändernde Gleichstromsignal wird einem Schwellenwertk"-eis 29 zugeführt, der das abweichende Gleichstromsignal entfernt, jedoch den sich verändernden Anteil des Signals durchläßt, der die Modulationskomponente aufweist, und zwar zu dem Einlaß des Gleichstromverstärkers 24.

Wie in der ins einzelne gehenden Beschreibung des Standes der Technik erwähnt, wird erfindungsgemäß ein Schwellenwertkreis 29 angewandt, der eine Zenerdiodenanordnung (nicht gezeigt) anstelle der Wechselstrom-Kopplungsanordnung 20 nach Fig. 1 aufweisen könnte. Da der hier erläuterte Pneumograph eine Verstärkungssteuerung benutzt über den noch zu beschreibenden Verstärkungsstabilisator 44, stein der Schweilenwertkreis 29 eine bessere Wahl für das Entfernen unerwünschter Gleichstromspannungen dar, als dies der Fall bezüglich der Wechselstrom-Kopplungsanordnung 20 ist. Die Anordnung 20 besitzt eine sehr große Zeitkonstante gleich dem Produkt, aus dessen Widerstand und Kondensator 21, wodurch es ermöglicht wird, daß sich langsam verändernde Modulationssignale unverzerrt und ungeschwächt fortgeleitet werden. Diese große Zeitkonstante macht die Korrekturzeit sehr lang. Dies ist die Zeitspanne, die für den Kondensator 21 erforderlich ist, um das unerwünschte Gleichstromsignal auf einen Wert zu verringern, der mit den Einlaßerfordernissen des Gleichstromverstärkers 24 kompatibel ist Diese Korrektionszeit entspricht im wesentlichen der pneumographischen Totzeit innerhalb derer die Vorrichtung nicht arbeiten kann.

Der Schwellenwertkreis 2S ist auf einen Wert eingestellt der der durchschnittlichen demodulierten Trägerspannung entspricht die praktisch konstant gehalten wird durch die Verstärkungsstabilisation, so daß das Modulationssignal hindurchtreten kann. Der Schwellenwertkreis 29 besitzt keine arteigene Korrekturzeit, wie dies der Fall bei der Kopplungsanordnung 20 ist wodurch sich keine Zeitspanne ergibt, innerhalb derer der Pneumograph nicht arbeiten kann. Wenn auch der Verstärkungsstabilisator 44 mit jeder Anordnung für das Entfernen der unerwünschten Gleichstromspannungen arbeiten kann, ergeben sich doch offensichtliche Vorteile bezüglich der Wahl eines Schwellenwertkreises 29 für das Anwenden bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Die Modulationskomponente tritt von dem Schwellenwertkreis 29 zu dem Einlaß 23 des Gleichstromverstärkers 24. Der Gleichstromverstärker 24 verstärkt die Modulationskomponente unter Ausbilden des richtigen Wertes an dem Leiter 28, der mit dem Einlaß des Schmitt-Triggers 25 zwecks Betätigen desselben verbunden ist. Der Gleichstromverstärker 24 verstärkt ebenfalls jede Veränderung versetzt, die durch den Schwellenwertkreis 29 hindurchtritt, und zwar aufgrund einer Trägerwertveränderung, die sich durch eine große Veränderung der Thorax-Impedanz ergibt. Aufgrund der Verstärkung dieser versetzten Gleichstromveränderung, die das Verhältnis oder Quotienten zwischen dem Wert der Modulationskomponente und dem durchschnittlichen Wert des demodulierten Trägers verändert, ist ein Verstärkungsstabilisator erforderlich.

Der Schmitt-Trigger 25 führt zu einer Rechteckwellenfunktion an dem verstärkten Modulationssignal und ergibt an seinem Auslaßleiter 26 Impulse veränderlicher Breite mit konstanter Amplitude als eine Funktion des Modulationssignals. Die Impulse veränderlicher Breite werden einem Wertmesser 27 zugeführt, der Impulse konstanter Breite aus denselben bildet und sodann eine Durchschnittsbildungsfunktion an den letzteren Impulsen ausübt unter Ausbilden einer Meßablesung, die die Anzahl der Atmungsvorgänge pro Zeiteinheit anzeigt, in typischer Weise die Anzahl der Atmungsvorgänge pro Minute.

Der Verstärkungsstabilisatorkreis 44 empfängt eine seiner zugeführten Leistungen von dem Ausgang des Gleichstromverstärkers 24 über die Leitung 49, und eine weitere zugeführte Leistung von der Primärseite des Transformators 11. Der Auslaß des Stabilisators 44 führt dem Verstärker 17 Leistung zu. Die Leitung 49 ist mit einem festen Widerstands-Spannungsteiler verbunden, der aus den Widerständen 31, 32, 33 und 34 an der Verbindungsstelle der Widerstände 33 und 34 besteht. Der Spannungsteiler wird durch die positive Gleichstromspannung 45 und die negative Gleichstromspannung 46 gespeist Die Diode 35 und die Diode 36 sind in Serie zueinander geschaltet, wobei die Kathode der Diode 36 mit der Anode der Diode 35 verbunden ist. Die Anode der Diode 36 und die Kathode der Diode 35 sind mit den gegenüberliegenden entsprechenden Enden des Widerstandes 32 verbunden. Deshalb weist der Gleichstrom-Spannungsabfall V, der an dem Widerstand 32 ausgebildet wird aufgrund des Stromflusses durch den Spannungsteiler von dem positiven Pol 35 zu dem negativen Pol 36 eine derartige Polarität auf, daß eine umgekehrte Vorspannung an den Dioden 35 und 36 mit der Größe V aufgedrückt wird, die sich in typischer Weise auf 3 oder 4 V beläuft

Der gemeinsame Verbindungspunkt der Dioden 35 und 36 steht in leitfähiger Verbindung mit einem Ende des Widerstandes 50, und das andere Ende ist mit dem Kondensator 37 und der Torelektrode 39 des FET 38 verbunden. Das andere Ende des Kondensators 37 ist geerdet Der Kondensator 37 ist negativ bezüglich der Erdung bezüglich des normalen Betriebes aufgeladen. Der Kondensator 37 erfährt durch den FET 38 weder

ίο

ein Laden noch ein Entladen aufgrund der extrem hohen Eingangsimpedanz der Torelektrode 39. Die einzige Möglichkeit des Veränderns der Spannung an dem Knoten C besteht in einem Aufladen des Kondensators 37 durch die Diode 35 und den Widerstand 50 oder Entladen des Kondensators 37 durch die Diode 36 und Widerstand 50. Bei dem hier beschriebenen Beispiel bezüglich des Stromflusses durch die Diode 35 muß sich die Spannung an dem Knoten A auf wenigstens 0,5 V negativer als an dem Knoten C belaufen, und bezüglich des Stromflusses durch die Diode 36 muß die Spannung an dem Knoten B sich auf wenigstens 0,5 V positiver als an dem Knoten C belaufen. Dies erfolgt unter der Annahme einer 0,5-V-Dioden!eitungsspannung. Da die Knoten A und B gezwungen sind, beide zusammen eine Erhöhung oder Verringerung der Spannung zu erfah- Abfiußquellen-Widerstandes des FET 38 ist. Die

Es ergibt sich somit, daß lediglich während eines Übergangszustandes entsprechend einer wesentlichen Veränderung der mittleren Thorax-Impedanz, bei dem die größten und kleinsten Totband-Grenzwerte überschritten werden, die Spannung an dem Kondensator 37 eine Veränderung erfährt.

FET 38 kann als ein veränderlicher Widerstand betrachtet werden, dessen Widerstandswert eine Funktion der Spannung an der Torelektrode 39 ist. Deshalb steuert die Spannung oder Energie des Kondensators den Wert des Widerstandes der Abflußelektrode 41 gegenüber der Quellenelektrode 40. Dieser veränderliche Widerstand zusammen mit dem festen Widerstand 43 bildet einen veränderlichen Spannungsteiler, wodurch der 15 Spannungswert an dem Knoten 42 eine Funktion des

ren, können beide Dioden gleichzeitig nicht leiten. Tatsächlich ergibt sich, daß keine Diode merklich während des normalen Arbeitens des Kreises arbeitet.

Während des Betriebes leitet die Leitung 49 eine sich verändernde Gleichstromspannung und gelegentlich eine verstärkte versetzte Gleichstrom-Spannungsveränderung von dem Auslaß des Gleichstromverstärkers 24 zu dem Spannungsteiler an der Verbindungsstelle der Widerstände 33 und 34. Dieses Signal verändert die Spannungen an den Knoten A und B in der gleichen Richtung.

Wenn sich z. B. die Spannung an dem Knoten C auf —5 V beläuft, wenn von dem Leiter 49 aus bedingt durch eine Gleichstromveränderung keine Leistung zugeführt wird, sowie sich die Spannung an dem Knoten A auf —3,5 V und die Spannung an dem Knoten B auf —6,5 V beläuft, ergeben diese Spannungen ein 4-V- »Totband«. Dies bedeutet, daß jedes von dem Leiter 49 kommende Signal die Spannung um 2 V an dem Knoten B von —6,5 V auf —4,5 V anheben muß, bevor die Diode 36 leitet und daß jedes von dem Leiter 49 kommende Signal die Spannung um 2 V an dem Knoten A von —3,5 auf —5,5 V verringern muß, bevor die Diode 35 leitet.

Somit kann die verstärkte versetzte Gleichstromspannung an dem Leiter 49 dazu führen, daß der Kondensator 37 stärker negativ bezüglich der Erdung durch die Diode 35 aufgeladen oder auf einen geringeren negativen Wert bezüglich der Erdung durch die Diode 36 entladen wird. Die sich verändernde Gleichstromspannung entsprechend der Modulation an dem Leiter 49 wird nicht zu irgendeiner Veränderung führen, da die Modulation so vorgesehen ist, daß dieselbe kleiner als dieses Totband ist.

Die größten und kleinsten Grenzwerte des Totbandes ergeben sich aufgrund der Werte der Widerstände 31, 32,33 und 34. Diese Grenzwerte werden so ausgewählt, daß dieselben mit den Auslösewerten des Schmitt-Triggers 25 kompatibel sind. Dies bedeutet, daß der größte Grenzwert des Totbandes das abgegebene Signal des Verstärkers 24 auf einen Spannungswert hält, der kleiner als der obere zugeführte Grenzwert des Schmitt-Triggers 25 ist Der kleinste Grenzwert des Totbandes hält das abgegebene Signal des Verstärkers 24 auf einem Spannungswert, der größer als der untere zugeführte Grenzwert des Schmitt-Triggers 25 ist

Weiterhin sollten diese Totband-Grenzwerte ebenfalls so ausgewählt werden, daß sich eine Verstärkungsstabilisation für Spannungswerte an dem Leiter 49 ergibt, die Spannungswerten an dem Leiter 23 entsprechen, die nicht über den linearen zugeführten Grenzwerten des Gleichstromverstärkers 24 liegen.

nung an dem Knoten 42 ist die Eingangsspannung des Wechselspannungsverstärkers 17. Deshalb steuert die Spannung oder Energie des Kondensators den Wert der Eingangsspannung an dem Verstärker 17 und steuert die Gesamtverstärkung der geschlossenen Schlaufe und somit die Verstärkung des Pneumographen.

Wenn sich z. B. der Patient in dem Bett umdreht und hierdurch eine Verdopplung der durchschnittlichen Thorax-Impedanz verursacht, während seine Atmung durch die Elektroden 12 und 14 überwacht wird, würde die Zunahme des versetzten Gleichstromspannungswertes, der über den Schwellenwertkreis 29 angekoppelt und auf den Verstärkungsstabilisator 44 über den Leiter 49 beaufschlagt wird, zu einer Spannungsveränderung an dem Kondensator 37 führen, wodurch der Widerstand der Abflußelektrode gegenüber der Quellenelektrode des FET 38 verringert würde, so daß die Spannungsteilerwirkung zwischen dem Widerstand 43 und dem FET 38 die zugeführte Spitzenamplitude des Trägersignals für den Verstärker 17 korrigieren, so daß eine konstante Demodulator-Ausgangsleistung 19 aufrechterhalten wird. Die Verstärkungskorrektur erfolgt in einem Bruchteil einer Sekunde und ist nicht den langen Stabilisierungskonstanten eines herkömmlichen niederfrequenten AVS-Kreises unterworfen.

Wenn durch den Verstärkungsstabilisator 44 keine Korrektur ausgeführt werden soll, wird im wesentlichen die Schaltkreisschlaufe unterbrochen und es erfolgt ein »Entkoppeln« durch das Totband der Dioden 35 und 36. Bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform weisen die elektrischen Bauelemente die folgenden Werte auf:

50	Widerstand	31	62 ΚΩ
	Widerstand	32	10 ΚΩ
	Widerstand	33	10 ΚΩ
	W^:derstand	34	5,1 ΚΩ
	Widerstand	43	33 ΚΩ
55	Widerstand	50	1 ΜΩ
	Dioden	35	FD 333
	Dioden	36	FD 333
	FET	38	2N4302
	Kondensator	37	5 μΡ
60	Spannungszuführung	45	+ 15 V Gleichstrom
	Spannungszuführung	46	— 15 V Gleichstrom

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform ist in der Fig.3 gezeigt, die ein schematisches Diagramm eines Verstärkungsstabilisators darstellt Einige der Bauelemente dieses Verstärkungsstabilisators sind unterschiedlich, jedoch sind alle Bauelemente des Signalverarbeitungskreises unverändert geblieben.

11

Anstelle der Widerstände 31, 32, 33, 34 und der Dioden 35 und 36, auf die allesamt in der F i g. 2 Bezug genommen wird, finden die folgenden Bauelemente, siehe die F i g. 3, Anwendung. Dioden 53 und 54, Zenerdioden 51 und 52 und Widerstände 60 und 61. -

Die Spannung schwankt wie weiter oben erläutert an dem Leiter 49 aufgrund der Atmung und/oder großer Thorax-Impedanzveränderungen. Die Zenerdiode 51 wird den Strom nicht von dem Knoten Czu dem Knoten D leiten, es sei denn, daß die Spannung an dem Knoten D kleiner als die Spannung an dem Knoten Cum wenigstens 0,5 V plus der Zener-Schwellenwertspannüng der Zenerdiode 51 ist. Der Stromfluß von dem Knoten Czu dem Knoten D ermöglicht ein stärker negatives Aufladen des Kondensators 37. Die Diode 53 verhindert jeden Stroir.fluß von dem Knoten D zu dem Knoter. C durch die Zenerdiode 51, der ansonsten aufgetreten ware, wenn die Spannung an dem Knoten D um 0,5 V höher als die Spannung an dem Knoten Cist.

Die Zenerdiode 52 wird den Strom nicht von dem Knoten D zu dem Knoten C leiten, es sei denn, daß die Spannung an dem Knoten D größer als die Spannung an dem Knoten C um wenigstens 0,5 V plus der Zenerschwellenwertspannung der Zenerdiode 52 ist. Der Stromfluß von dem Knoten D zu dem Knoten Cermöglicht ein stärker positives Aufladen des Kondensators 37. Die Diode 54 verhindert jeden Stromfluß zu dem Knoten C zu dem Knoten D durch die Zenerdiode 52, der ansonsten aufgetreten wäre, wenn die Spannung an dem Knoten C sich um 0,5 V höher als die Spannung an dem Knoten D beläuft.

Wie weiter oben erläutert, ergibt sich ein »Totband«, das gleich einem Volt plus dem Doppelten der Zenerschwellenwert-Spannungen ist. Dies unter der Annahme, daß die Dioden 53 und 54 jeweils einen 0,5-V-Durchlaß-Spannungsabfall aufweisen, sowie die zwei Zener-Schwellenwertspannungen gleich sind und daß das Gebiet der Nichtabbruchsspannung der Zenerdioden 51 und 52 wesentlich höhere Impedanz als der Widerstand 50 aufweist

Somit stellt der Verstärkungsstabilisator 55 nach F i g. 3 eine alternative Ausführungsform und genauen funktioneilen Ersatz des Verstärkungsstabilisators 44 nach der F i g. 2 dar.

45 Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

50

Claims

1 2

innerhalb der vorbestimmten Grenzen liegt.

Patentansprüche: 5. Pneumograph nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsquelle eine Rei-

1- Impedanz-Pneumograph mit henschaltung von Widerständen (31 —34) zwischen

5 zwei festen Potentialen (45, 46) darstellt, wobei ei-

— einer Elektrodeneinrichtung (12,13), die an ein nem Widerstand (32) die Reihenschaltung aus Diatmendes Wesen anlegbar ist, öden (35, 36) parallel geschaltet ist und das rückge-

— einer Generatoreinrichtung (10) zum Erzeugen koppelte Gleichstromsignal außerhalb der Paralleleines Trägersignals mit einer festen Amplitude, schaltung der Dioden zugeführt wird.

— einem mit der Elektrodeneinrichtung (12, 13) io 6. Pneumograph nach Anspruch 3, dadurch ge- und der Generatoreinrichtung (10) verbun- kennzeichnet, daß dem Kondensator (37) das rückdenen Modulator zum Erzeugen eines modu- gekoppelte Gleichstromsignal über einen Widerlierten Trägersignals entsprechend der mit der stand (50) und einer dazu in Reihe geschalteten Par-Elektrodeneinrichtung (12, 13) bei deren AnIe- allelschaltung aus zwei Ästen zugeführt wird.

gen an das atmende Wesen erfaßten Impedanz, 15

— einer Rückkopplungseinrichtung (44; 55)

— und einem Wechselstromverstärker (17) mit
nachfolgendem Demodulator (18), die das modulierte Trägersignal verstärken und demodu- Die Erfindung betrifft einen Impedanz-Pneumograph Heren, um ein Gleichstromsignal zu erzeugen, 20 nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

das die mit der am atmenden Wesen angelegten Auf dem schnell wachsenden Gebiet der medizini-

Elektrodeneinrichtung (12, 13) erfaßte Impe- sehen Elektronik liegt ein beständiges Bedürfnis nach

danz darstellt, verläßlicherer und genauerer Messung der Atmungsfrequenz des Menschen vor. Ein Impedanz-Pneumograph

dadurchgekennzeichnet, 25 ist eine Vorrichtung, die die Atmung eines Menschen

dadurch überwacht, daß die Veränderung in der elektri-

— daß die Rückkopplungseinrichtung (44; 55), die sehen Impedanz des menschlichen Thorax bedingt zwischen dem Eingang des Wechselstromver- durch Atmung festgestellt wird. Diese Vorrichtung wird . stärkers (17) und dem Ausgang des Demodula- in typischer Weise in Krankenhäusern, Genesungsheitors (18) liegt, auf das das Gleichstromsignal 30 men oder bei bettlägerigen Patienten angewandt, wo anspricht, um den Verstärkungsfaktor des die überwachte Atmung allgemein anhand einer die At-Wechselstromverstärkers (17) dergestalt zu mungsfequenz aufzeigenden Meßvorrichtung angezeigt verändern, daß er Änderungen des Gleich- wird, die die Atmungsvorgänge pro Minute wiedergibt. Stromsignals entgegenwirkt, Die Überwachungssysteme für die Atmungsfrequenz

— und daß die Rückkopplungseinrichtung (44; 55) 35 nach dem Stand der Technik haben einen Impedanzeine Schwellenwerteinrichtung (35, 36; 53, 54) Pneumographen herangezogen, der aus einem Paar aufweist, um eine Änderung des Verstärkungs- Elektroden besteht, die an der Hautoberfläche eines faktors des Wechselstromverstärkers (17) im- Menschen benachbart zu dem Hohlraum des Brustmer dann zu verhindern, wenn die Amplitude korbs befestigt werden. Diese Elektroden führen Strom des Gleichstromsignals innerhalb einer vorbe- 40 durch den Brustkorb aufgrund einer elektrischen Enerstimmten oberen und unteren Grenze liegt. giequelle, die leitfähig zwischen denselben angeschlossen ist. Die Energiequelle ist gewöhnlich ein Gleich-

2. Pneumograph nach Anspruch 1, dadurch ge- strom oder Wechselstrom.

kennzeichnet, daß die Rückkopplungseinrichtung Der Thorax weist gegenüber den Elektroden eine (44; 55) einen variablen Spannungsteiler (38; 43) für 45 elektrische Impedanz auf, die aus zwei Impedanzkomdas modulierte Trägersignal enthält, daß der Mittel- ponenten besteht, und zwar einem relativ konstanten abgriff des Spannungsteilers dem Eingang des Wert der Thoraximpedanz, der hier als mittlere Thorax-Wechselstromverstärkers (17) zugeführt ist, und daß impedanz bezeichnet wird und einem sich verändernden das Teilungsverhältnis des Spannungsteilers durch Wert der Thoraximpedanz, der hier als respirative Imdas rückgekoppelte Gleichstromsignal bestimmt ist. 50 pedanz bezeichnet wird und auf der Veränderung des

3. Pneumograph nach Anspruch 2, dadurch ge- Brustkorbvolumens bedingt durch die Atmung verurkennzeichnet, daß der Spannungsteiler aus einem sacht wird. Der durch den Brustkorb geleitete Gleichfesten Widerstand (43) und einem dazu in Reihe ge- strom multipliziert mit der Gesamtimpedanz ergibt die schalteten Transistor (38) besteht, dessen Steuer- Spannung zwischen den Elektroden. Es liegen zwei elektrode mit einem Kondensator (37) verbunden ist, 55 Spannungskomponenten vor, und zwar eine konstante und daß der Ladezustand des Kondensators über die Spannungskomponente, die sich durch die durchschnitt-Schwellenwerteinrichtung (35, 36; 53, 54) geändert liehe Thoraximpedanz eine sich verändernde Spanwird, wenn das rückgekoppelte Gleichstromsignal nungskomponente ergibt, die auf die respirative Impeaußerhalb der vorbestimmten Grenzen liegt. danz zurückzuführen ist.

4. Pneumograph nach Anspruch 3, dadurch ge- 60 Das hier interessierende Signal ist die sich verändernkennzeichnet, daß die Schwellenwerteinrichtung aus de Spannungskomponente und es können verschiedene einer Reihenschaltung gleichsinnig gepolter Dioden Verfahrensweisen für die Signalverarbeitung zwecks (35,36) besteht, deren Verbindungspunkt über einen Erhalten dieses Signals angewandt werden.

Verfahren Widerstand (50) mit dem Kondensator (37) verbun- nach dem Stand der Technik für die Signalverarbeitung den ist und deren Endanschlüsse mit einer Vorspan- 65 schließen allgemein bekannte Arbeitsweisen auf dem nungsquelle verbunden sind, die von dem rückge- Gebiet der elektrischen Messungen ein, wie Kompenkoppelten Gleichstromsignal beeinflußbar ist und sieren der konstanten Komponente der Thoraxspanbeide Dioden sperrt, wenn das Gleichstromsignal nung mit einer anderen Spannungsquelle unter Heran-