DE2203636C3

DE2203636C3 - Differenzierverstärker

Info

Publication number: DE2203636C3
Application number: DE19722203636
Authority: DE
Inventors: Heinz 7800 Freiburg Dehnert
Original assignee: HUGO SACHS ELEKTRONIK KG 7801 MARCH DE
Current assignee: HUGO SACHS ELEKTRONIK KG 7801 MARCH DE
Priority date: 1972-01-26
Filing date: 1972-01-26
Publication date: 1983-11-10
Also published as: DE2203636A1; DE2203636B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Differenzierverstärker zum Errechnen der Anderungsgeschwindigkek gemessener biologischer Größen, wie der Atmung, des Blutdrucks und der Muskelkontraktionen, bei welchem am Eingang des Verstärkers ein der biologischen Größe proportionales elektrisches Signal liegt wobei mindestens dessen erster Differentialquotient zu errechnen ist end an dessen Eingang weiterhin ein dreieck- oder trapezförmiges Eichsignal anlegbar ist, das zur Bewertung der differenzierten Signale dient·

Derartige Differenzierverstärker werden benötigt insbesondere in der pharmakologischen und physiologischen Forschung. Beispielsweise bei der Untersuchung der Herztätigkeit wird mitttels eines intrakardialen Druckaufnehmers der Druck in einer Herzkammer gemessen. Eine Differenzierung des Druckverlaufs nach der Zeit dt ergibt die Möglichkeit die Herzleistung bezüglich des Herzvolumens zu beurteilen. Eine weitere Differenzierung nach der Zeit dt verdeutlicht die Leistungsänderung täes Herzens bezüglich der Zeit und des Volumens.

Neben der Messung des Druckverlaufs werden Differenzierverstärker benötigt bei Messungen isometrischer und isotonischer Kontraktionen von Muskeln. Bei der Messung isometrischer Kontraktionen wird die Kraftentwicklung eines Muskels bei dessen konstanter Länge gemessen. Eine Differenzierung nach dt gibt Aufschluß über den zeitlichen Verlauf dieser Kraftentwicklung. Auch hier wird oftmals zur Beurteilung des Muskelverhaltens eine weitere Differenzierung nach dt benötigt. Bei der Messung isotonischer Kontraktionen des Muskels wird die Längenänderung des Muskels unter einer konstanten Vorkraft gemessen. Ein Differenzieren der gemessenen Längenänderung gibt Aufschluß über die Muskelleistung. Ein weiteres Differenzieren dieses Differentialquotienten ergibt den zeitlichen Verlauf der Leistung.

Weitere Messungen, die auf diesem Gebiet sehr häufig vorkommen, sind Messungen von Druckflußvolumen, beispielsweise des Blutes oder der Atemluft. Auch hier ist es vielfach erforderlich, mindestens den ersten und vielfach auch den zweiten Differentialquotienten der gemessenen Werte zu ermitteln.

Obwohl die Bildung der Differentialquotienten im Differenzierverstärker keine Schwierigkeiten darstellt, ist es dagegen außerordentlich schwierig, die errechneten und gegebenenfalls aufgezeichneten Differentialquotienten der Größe nach zu beurteilen. Für langsame Druckänderungen beispielsweise kann ein Druckeichgerät verwendet werden, das unter einem bestimmten Druck steht, der sodann kontinuierlich innerhalb eines bestimmten Zeitraums abgebaut wird. Da der Anfangsund der Enddruck bekannt sind und ebenfalls die Zeitdauer, innerhalb welcher der Anfangsdruck auf den Enddruck absinkt, ist es möglich, den ersten Differentialquotienten dp/dt auch der Größe nach zu beurteilen. Dieses Verfahren ist jedoch sehr umständlich und mit vielen Fehlerquellen behaftet, insbesondere wenn der Druckabfall nicht kontinuierlich verläuft. Dieses Eichverfahren versagt völlig bei schnellen Druckänderungen. Mit dem zuvor beschriebenen Verfahren ist jedoch

in keinem Falle eine Eichung des zweiten Differentialquotienten möglich. Somit sind praktisch aus dem Verlauf des zweiten Differentialquotienten lediglich Verhältniswerte zu entnehmen.

Es ist bekannt, die Eichung von Differenzierverstärkern mittels Eichkurven vorzunehmen, die einem Eichgenerator entnommen werden. Üblicherweise liefert der Eichgenerator Dreiecksimpulse, deren Differenzierung zu Vierecksimpulsen führt. Diese Vierecksimpulse stellen den ersten Differentialquotienten dar. Hierdurch ist eine Eichung der Differentialquotientenkurve einer biologischen Meßgröße möglich. Bei der Verwendung von Dreieckimpulsen ist allerdings der Nachteil vorhanden, daß zuerst die Nullinie des differenzierten Dreieckssignals ermittelt werden muß, was durch Halbieren der Vierecksimpulse möglich ist Bei der Verwendung von Dreiecksimpulsen als Eichsignale können d.urch Verändern der Amplitude der Dreiecke unterschiedliche Flankensteilheiten eingestellt werden, so daß eine Differenzierung der Dreieckssignale unterschiedlicher Flankensteilheiten zu Rechtecksignaien unterschiedlicher Ampiitude führt Jedoch ist auch hier der Nachteil vorhanden, daß eine Eichung der Kurve des zweiten Differentialquotienten nicht möglich ist Werden die Vierecksimpulse des ersten Differentialquotienten des Eichsignals nochmals nach dt differenziert ergeben sich lediglich für den zweiten Differentialquotienten sehr steilflankige Impulsspitzen, und eine Übersteuerung des Differenzierverstärkers zur Bildung des zweiten Differentialquotienten findet statt Uni eine einigermaßen gesicherte Beurteilung der Größe des zweiten Differentialquotienten bei einer gemessenen biologischen Größe zu ermöglichen, bleibt daher nichts anderes übrig, als die geeichte Kurve eines ersten Differentialquotienten auszumessen und hieraus den zweiten Differentialquotienten zu berechnen. Diese Arbeit ist jedoch äußerst mühevoll und erfordert genaue mathematische Kenntnisse, die üblicherweise in pharmakologischen Labors nicht vorhanden sind. Diese Nachteile gilt es zu vermeiden.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine Eichung nicht nur der Kurve des ersten, sondern auch der des zweiten Differentialquotienten zu ermöglichen.

Bei einem Differenzierverstärker der eingangs genannten Art wird dies dadurch erreicht, daß zur Errechnung auch des zweiten Differentialquotienten die Dreiecks- oder Trapezform des Eichsignals an den Übergängen zu zur Zeitachse parallelen Geraden mindestens eine Abflachung der Funktion ± cxV2 aufweist, wobei χ den auf diesen zur Zeitachse parallelen Geraden liegenden Koordinatenwert und c einen Parameter bezeichnet.

Mit einem Kurvenstück, das der Funktion ±cx²/2 folgt, ist es mit dem Eichsignal möglich, auch den Verlauf des zweiten Differentialquotienten zu eichen. Wird dieses Kurvenstück einer ersten Differenzierung unterworfen, ergibt sich eine Kurve ± ex. Bei einer weiteren Differenzierung zur Bildung des zweiten Differentialquotienten ergibt sich ein Wert ± c

Vorzugsweise besteht die Eichkurve aus einem Trapez mit abgeflachten Kanten, wobei die Abflachungen der Funktion ±cxV2 folgen. Bei einer Differenzierung dieser Eichkurve £, d-h. bei Bildung von dE/dt, ergibt sich ein trapezförmiger Kurvenverlauf, und zwar entsteht ein erste¹., auf der einen Seite der Nullinie liegendes Trapez während der Anstiegsflanke der Kurve E und ein zweites, auf der anderen Seite der Nullinie liegendes Trapez \ ährend der Abstiegsflanke der Kurve R Dieser Kurvenverlauf des ersten Differentialqfiotienten hat den großen Vorteil, daß zwischen den Trapezen beidseits der Nullinie die Kurve längs der Nullinie verläuft, so daß diese Nullinie sofort bei der Aufzeichnung sichtbar ist

Bei der weiteren Differenzierung der Eichkurve K d. h. bei Bildung von d²E/dt², ergeben sich Rechtecksignale, die beidseits der Nullinie angeordnet sind und den Anstiegen bzw. Abfällen der Trapezsignale der Kurve des ersten Differentialquotienten entsprechen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der F i g. 1 bis 3 erläutert Es zeigt

F i g. 1 das Beispiel einer ersten Eichkurve mit dem Kurvenverlauf des ersten und zweiten Differentialquotienten;

F i g. 2 einenTeil einer weiteren Eichkurve zum Erhalt weiterer Eichwerte und

Fig.3 ein Blockschaltbild eines Differenzierverstärkers, bei dem die Erfindung Anwendung findet

Die F i g. 1 ε. zeigt einen Teil eines Eichsignals in Form eines Trapezes mit abgeflachten Xanten. Diese abgeflachten Kanten 1, 3, 5, 7 verlaufen nach einer Funktion cxV2. Zwischen den Abflachungen 1 und 3 ist ein linearer Kurventeil 2 konstanten Anstiegs angeordnet. Zwischen den Abflachungen 3 und 5 ist ein horizontal verlaufender Kurventeii 4 gezeichnet Weiterhin ist zwischen den Abflachungen 5 und 7 ein linearer Kurventeil 6 konstanten Abfalls vorhanden. Wird diese Kurve in einer ersten Differenzierstufe differenziert, ergibt sich eine Kurvenform, die in F i g. Ib gezeichnet ist Als Eichwerte interessieren in erster Linie für den ersten Differentialquotienten die Amplitude der Kurvenstücke 2' und 6'. Es handelt sich hierbei um die differenzierten, linear verlaufenden, ansteigenden bzw. abfallenden Kurvenstücke 2 und 6 nach F i g. 1. 1st die Eichkurve E abgestimmt mit dem Druck p, dann entsprechen die Lagen der Kurvenstücke 2' und 6' relativ zu ihrer Nullinie einem bestimmten Wert dp/dt. Die Eichung der Kurve des ersten Differentiaiquoüenten wird bei der vorliegenden Kurvenform erleichtert, da die Nullinie durch das Kurvenstück 4' klar erkennbar ist

Zur Eichung der Kurven des zweiten Differentialquotienten gemessener biologischer Größen sind die linear und schräg verlaufenden Kurvenstücke V, 3', 5' und T nach Fig. Ib von Bedeutung. Eine Differenzierung dieser Kurvenstücke führt zu Rechteckimpulsen nach Fig. Ic. Diese Rechteckimpulse 1", 3", 5" und 7" sind bezüglich ihrer Amplitude, d. h. bezüglich ihrer Lage zur

>n Nullinie, bestimmend für die Eichung des zweiten Differentialquotienten. Ist beispielsweise die Eichkurve fabgestimmt mit einem zu messenden Druck p, dann ist die Amplitude der Rechteckimpulse nach Fig. Ic ein Maß für den zweiten Differentialquotienten d²p/dt².

Der Kurvenverlauf nach F i g. Ic zeigt auch deutlich die Lage der Nullinie, da Jie Kurvenstücke 2", 4' und 6" längs dieser Nullinie verlaufen.

Die F i g. 2 zeigt in F i g. 2a einen Teil einer Eichkurve mit doppelt so s'eilem Anstieg im Vergleich zur Eichkurvenach Fig. la. Die Kurvenstücke 11,12 und 13 entsprechen den Kurvenstücken 1,2 und 3, Durch den doppelt so steilen Anstieg des Kurvenstücks 12 hai das Kurvenstück 12' die doppelte Amplitude des Kurvenstücks 2'. Da die Multiplikationsfaktoren c der Kurvenstücke 11 und 13 doppelt so groß sind wie die Multiplikationsfaktoren der Kurvenstücke 1 und 3, ist such die Amplitude der Kurvenstücke 11" und 13" doppelt so groß wie diejenigen der Rechteckimpulse 1"

und 3". Unter dem vorgenannten Multiplikationsfaktor c ist derjenige der Gleichung CX¹Il zu verstehen, der die vorgenannten Kurvenstücke folgen.

Mit der gezeigten Kurvenform ist es also jederzeit möglich, beispielsweise bei der Messung des Verlaufs des Blutdrucks ρ die differenzierten Kurven dp/dt und d²p/dt² zu eichen. Bei einer Aufzeichnung dieser Kurven, beispielsweise durch einen Schreiber, können zu Beginn der Messung des Druckverlaufes ρ die Eichkurven aufgegeben werden, so daß es anschließend möglich ist, direkt den ersten und zweiten Differentialquotienten des Druckverlaufs aus den Meßkurven der Größe,, d.h. dem Wert, nach abzulesen. Bei einer Messung des Druckverlaufs im Herzen ist es also möglich, die Kurven des ersten Differentialquotienten des Druckes direkt in Leistung pro Volumen zu eichen. Weiterhin ist eine direkte Eichung der Kurve des zweiten Differentialquotienten des Druckes in Leistung pro Zeit und pro Volumen möglich.

Die Fig. 3 zeigi cm ÄUMUMfüiigsuciSpici des Di'icrenzierverstärkers. Der Verstärker besteht aus einem Gegentakteingang 8 und einem Anpassungsverstärker 9. Teil 10 ist der Eichgenerator zur Erzeugung der Eichkurve E Der Differenzierer 14 zur Bildung des ersten Differentialquotienten ist wahlweise auf den Eingang 8 oder den Eichgcncrator 10 schaltbar. Das differenzierte Signal vom Differenzierer 14 kann direkt am Ausgang 19 abgenommen werden. Dieses Ausgangssignal des Differenzierers 14 kann weiterhin abgenommen werden und dem zweiten Differenzierer 18 eingegeben werden, der dann den zweiten Differentialquotienten bildet, der am Ausgang 20 liegt. Bei beiden Differenzierern 14 und 18 kann die Differenzierzeitkonstante dt verändert werden, um eine Anpassung an verschiedene Frequenzen zu ermöglichen. Je höher die Frequenz ist, um so kleiner sollte diese Differenzierzeitkonstante sein.

Oftmals ist es erwünscht, nur die Anstiege oder Abfälle der gemessenen Kurven (Druck, Kraft, Weg, Volumen) zu erfassen. Beispielsweise bei der Messung

ίο des Herzens ist für viele Fälle lediglich der intrakardiale Druckanstieg von Interesse. Zu diesem Zweck ist eine Gleichrichterschaltung 15 vorgesehen, die zwei wählbare Durchlaßrichtungen aufweist. Auf diese Weise werden am Ausgang 19 nur negative Differentialquo tienten der abfallenden Kurventeile der Meßkurve oder positive Differentialquotienten der ansteigenden Kurventeile der Meßkurve registriert. Eine gleiche Gleichrichterschaltung 15 kann beim zweiten Differenzierer 18 vorgesehen sein. Zusätzlich zu dieser Maßnahme kann

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^U UUI VJIUIUIII IUIItUI .»UllUllUlfg UIl(U iiuiinuift,i(M.iiMiiuiig 16,17 nachgeschaltet sein, die im gezeigten Beispiel eine Hüllkurve an den Ausgang 19 gibt, die der Hüllkurve der positiven oder negativen Differentialquotienten der Meßkurve entspricht.

r> Wird auch beim Differenzierverstärker 18 eine Gleichrichterschaltung 15 vorgesehen, kann auch dieser Gleichrichterschaltung eine Hüllkurvenschaltung nachgeschaltet sein. Es ergibt sich dann eine Hüllkurvenbildung ae:h bei der Kurve des zweiten Differentialquo- tienten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Differenzierverstärker zum Errechnen der Änderungsgeschwindigkeit gemessener biologischer ι Größen, wie der Atmung, des Blutdrucks und der Muskelkontraktion, bei welchem am Eingang des Verstärkers ein der biologischen Größe proportionales elektrisches Signal liegt wobei mindestens dessen erster Differentialquotient zu errechnen ist, '^:> und an dessen Eingang weiterhin ein dreieck- oder trapezförmiges Eichsignal anlegbar ist, das zur Bewertung der differenzierten Signale dient, dadurch gekennzeichnet, daß zur Errechnung auch des zweiten Differentialquotienten die Drei- i* ecks- oder Trapezform des Eichsignals an den Obergängen zu zur Zeitachse parallelen Geraden mindestens eine Abflachung der Funktion +CX²H aufweist, wobei Jf den auf diesen zur Zeitachse parallelen Geradet. liegenden Koordinatenwert und c einen '< > Parameter bezeichnet.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anstiegsflanke des Trapezes aus zwei ineinander übergehenden Abflachungen der Funktion ± cxV2 besteht : -,

3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß zwischen den Abflachungen der Anstiegsflanke ein linearer Teil konstanten Anstiegs verläuft

4. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekenn- so zeichnet, daß das Dach des Trapezes aus zwei ineinander übergehenden Abflachungen der Funktion ±cxV2 besteht

5. Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß zwischen den Abflachungen des ■·; Daches ein linearer Teil ohne Neigung zur Nullinie verläuft

6. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfallflanke des Trapezes aus zwei ineinander übergehenden Abdachungen der Funk- w tion ± cx²/2 besteht

7. Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Abflachungen der Abfallflanke ein linearer Teil konstanten Abfalls verläuft.

8. Verstärker nach Anspruch 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung des linearen Teils veränderbar ist.

9. Verstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der ϊ(> Multiplikation- bzw. Verstärkungsfaktor c veränderbar ist

10. Verstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß er eine erste Differenzierstufe zur Bildung des ersten μ Differentialquotienten und eine dieser Stufe nachgeschaltete zweite Differenzierstufe zur Bildung des zweiten Differentialquotienten aufweist.

11. Verstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die _oo Differenzierzeitkonstante dt veränderbar ist

12. Verstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Gleichrichterschaltung enthält, die zwei wählbare Durchlaßrichtungen aufweist, die wahlweise b5 den negativen oder positiven Differentialquotienten und somit abfallende oder ansteigende Kurventeile der Signale unterdrückt

13. Verstärker nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet daß zwischen Gleichrichterschaltung und Ausgang eine Hüllkurvenschaltung zwischengeschaltet ist