DE2228541B1

DE2228541B1 - Device for acquiring electrical measurement signals

Info

Publication number: DE2228541B1
Application number: DE2228541A
Authority: DE
Inventors: Michael 8520 Erlangen Maas
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-06-12
Filing date: 1972-06-12
Publication date: 1973-12-13

Description

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gerät der eingangs genannten Art anzugeben, welches Meßnutzsignale mit überlagerten Spannungs- oder Stromspitzen hoher Implitude erfaßt, ohne daß es auf Grund der hohen Spitzenamplituden zu unerwünschten Umladevorgängen an den kapazitiven Gliedern bzw. zu Verstärkerübersteuerungen kommt. Insbesondere soll bei Elektrokardiographen dafür gesorgt werden, daß über die EKG-Elektroden zusammen mit dem EKG gegebenenfalls abgenommene Schrittmacherimpulse, deren Amplitude beispielsweise das 100fach der R-Zackenamplitude im EKG betragen kann, ohne die genannten störenden Einflüsse vom Elektrokardiographen mit erfaßt und aufgezeichnet werden können, wobei die aufgezeichneten Impulse aus Gründen einer erwünschten optimalen Aussteuerung der EKG-Signale in der Amplitude die R-Zackenamplitude nicht wesentlich überschreiten und die Steilheit bzw. The object of the invention is to provide a device of the type mentioned at the beginning indicate which useful measurement signals with superimposed voltage or current peaks high amplitude detected without it being undesirable due to the high peak amplitudes Charging processes on the capacitive members or amplifier overload occurs. In particular, in electrocardiographs it should be ensured that the EKG electrodes Any pacemaker pulses taken together with the ECG, their amplitude for example, 100 times the R-wave amplitude in the EKG, without the named interfering influences from the electrocardiograph captured with and can be recorded, the recorded pulses for the sake of a desired optimal modulation of the EKG signals in amplitude the R-wave amplitude not significantly exceed and the steepness or

die Basisbreite der Impulse in der Aufzeichnung im wesentlichen naturgetreu wiedergegeben werden sollte.the base width of the pulses in the recording is essentially true to nature should be reproduced.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei Geräten der eingangs genannten Art zur Verhinderung unerwünschter Umladevorgänge an den kapazitiven Gliedern bzw. von Verstärkerübersteuerungen durch dem eigentlichen Meßnutzsignal gegebenenfalls überlagerte kurzzeitige Spannungs- oder Stromimpulse hoher Amplitude, z. B. Schrittmacherimpulse im Elektrokardiogramm, der Amplitudenbegrenzer im Meßsignalgang vor den kapazitiven Giedern bzw. Verstärkern vorgesehen ist und daß er Mittel enthält zur kontinuierlichen Erfassung des Meßsignalgleichanteiles sowie einen vom Gleichanteilsignal und Meßsignal gespeisten Grenzwertindikator, welcher den Begrenzer aktiviert, wenn das Meßsignal und das Gleichanteilsignal in der Amplitude um einen vorgegebenen Grenzwert voneinander abweichen. The object is achieved according to the invention in that in devices of the type mentioned to prevent unwanted reloading processes to the capacitive members or amplifier overdrive through the actual measurement signal possibly superimposed short-term voltage or current pulses of high amplitude, z. B. pacemaker pulses in the electrocardiogram, the amplitude limiter in the measurement signal path is provided in front of the capacitive members or amplifiers and that it contains means for continuous acquisition of the measurement signal DC component as well as one from the DC component signal and measuring signal fed limit value indicator, which activates the limiter when the measurement signal and the DC component signal in amplitude by a predetermined Limit values differ from each other.

Begrenzerschaltungen zur Amplitudenbegrenzung elektrischer Signale sind an sich bekannt. Bei den bekannten Amplitudenbegrenzern handelt es sich jedoch um Begrenzer, welche allein in Abhängigkeit von der Signalamplitude dann aktiviert werden, wenn diese Amplitude einen vorgegebenen konstanten, auf das Nullinienpotential des Signals bezogenen Grenzwert (z. B. Durchbruchspannung bei Zenerdioden) überschreitet. Eine Anwendung dieser Begrenzer für die Begrenzung von einem Meßsignal überlagerten Spannungsspitzen ist praktisch nicht möglich, weil Meßsignale, insbesondere über Elektroden od. dgl. Limiter circuits for limiting the amplitude of electrical signals are known per se. The known amplitude limiters are, however to limiters, which are then activated solely depending on the signal amplitude when this amplitude is a predetermined constant, to the zero line potential of the signal-related limit value (e.g. breakdown voltage in Zener diodes). An application of this limiter for the limitation of a measurement signal is superimposed Voltage peaks is practically not possible because measurement signals, especially over Electrodes or the like.

abgenommene Körperaktionssignale wie das EKG, häufig stark schwankende Gleichanteile aufweisen, die - wie die Praxis zeigt - die an sich kleinen Meßnutzsignalamplituden bis in den Bereich der Spannungsspitzenamplituden anheben können. Zur Berücksichtigung eventuell auftretender hoher Gleichanteile muß bei den bekannten Begrenzern also der Begrenzer-Grenzwert entsprechend hoch gewählt werden, was jedoch den Nachteil hat, daß bei kleinen Gleichanteilen die Amplitude der begrenzten Spannungsspitzen immer noch sehr hoch ist und somit trotz Begrenzung unerwünschte Umladevorgänge an kapazitiven Gliedern bzw. Verstärkerübersteuerungen nicht mit Sicherheit vermieden werden. Ebensogut kann es aber auch vorkommen, daß bei gegebenenfalls auftretenden sehr hohen Gleich anteilen trotz eines hohen Begrenzer-Grenzwertes die eigentlichen Nutzsignalspitzen diesen Grenzwert überschreiten, so daß nicht nur - wie erwünscht - die Spannungsimpulsspitzen, sondern auch das eigentliche Meßnutzsignal begrenzt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Gerät weisen die begrenzten Spannungs- bzw. Stromimpulse unabhängig vom jeweils vorliegenden Gleichanteilbetrag im Meßsignal immer eine konstante Amplitude über diesem Gleichteil auf. Diese Amplitude hängt lediglich ab vom Schwellenwert des Grenzwertindikators im Amplitudenbegrenzer und kann beispielsweise zu einem Wert gewählt sein, der nicht wesentlich größer ist als der zu erwartende maximale Amplitudenwert des eigentlichen Meßnutzsignals.Recorded body action signals such as the EKG, often strongly fluctuating Have constant components which - as practice shows - the small useful signal amplitudes can increase up to the range of the voltage peak amplitudes. For consideration Any high DC components that may occur must therefore be the case with the known limiters the limiter limit value can be selected correspondingly high, which, however, has the disadvantage has that with small equal components the amplitude of the limited voltage peaks is still very high and thus undesirable reloading processes despite the limitation on capacitive elements or amplifier overloads cannot be avoided with certainty will. But it can just as well happen that if very high equal shares despite a high limiter limit value the actual Useful signal peaks exceed this limit value, so that not only - as desired - the voltage pulse peaks, but also the actual measurement signal is limited will. In the device according to the invention, the limited voltage or current pulses regardless of the amount of DC component present in the measurement signal, always a constant one Amplitude over this common part. This amplitude only depends on the threshold value of the limit value indicator in the amplitude limiter and can, for example, to a Be selected that is not significantly greater than the expected maximum Amplitude value of the actual useful measurement signal.

Eine solche Wertwahl verhindert mit Sicherheit uner- wünschte Umladevorgänge bzw. Verstärkerübersteuerungen. Auch kann es niemals vorkommen, daß neben den Spannungs- bzw. Stromimpulsen auch noch das eigentliche Meßnutzsignal begrenzt wird.Such a choice of value certainly prevents un- requested reloading processes or amplifier overloads. Also, it can never happen that in addition to the voltage or current pulses also limit the actual useful measurement signal.

Ein Amplitudenbegrenzer beschneidet zwar die Amplitude der Impulse, bewirkt aber ansonsten keine weiteren Impulsformveränderungen. Die vom Gerät erfaßten bzw. abgebildeten Impulse entsprechen in ihrer Anstiegsflanke bzw. in ihrer Basisbreite - wie erwünscht - den ursprünglichen Impulsen vor der Begrenzung.An amplitude limiter cuts the amplitude of the pulses, but otherwise does not cause any further pulse shape changes. The ones recorded by the device or the imaged pulses correspond in their rising edge or in their base width - as desired - the original impulses before the limitation.

In einer vorteilhaften Ausführung des Gerätes nach der Erfindung geschieht die Erfassung des Gleichanteils durch kontinuierliche Mittelwertbildung des Meßsignals über die Zeit in einem Mitttelwertbildner, z. B. RC-Glied. Der Grenzwertindikator enthält dabei Mittel für die fortlaufende Bildung der Differenz zwischen den Amplituden des Meß- und Gleichanteilsignals sowie einen vom Differenzsignal gespeisten Schwellendiskriminator mit dem vorgegebenen Grenzwert entsprechender Ansprechschwelle, welcher den Begrenzer aktiviert, wenn das Differenzsignal die Ansprechschwelle überschreitet. Als Schwellendiskriminator sind zweckmäßig elektrische Ventile mit nichtlinearer Kennlinie, z. B. Halbleiterperioden, und mit einem dem vorgegebenen Grenzwert entsprechenden Schwellenwert verwendet. Die Bildung des Differenzsignals geschieht vorzugsweise unmittelbar über den Ventilen durch Zuführung des Meßsignals zum Ventileingang und des Gleichanteilsignals zum Ventilausgang. Die Ventile bilden zweckmäßig zusammen mit einem Strombegrenzungswiderstand, z. B. Innenwiderstand der Meßsignalquelle oder Ausgangswiderstand eines vorgeschalteten Vorverstärkers, den die eigentliche Amplitudenbegrenzung vornehmenden Teil des Amplitudenbegrenzers. In an advantageous embodiment of the device according to the invention the constant component is recorded through continuous averaging the measurement signal over time in an averaging device, e.g. B. RC element. The limit indicator contains means for the continuous formation of the difference between the amplitudes of the measurement and DC component signal and a threshold discriminator fed by the difference signal with the response threshold corresponding to the specified limit value, which sets the limiter activated when the differential signal exceeds the response threshold. As a threshold discriminator electrical valves with a non-linear characteristic, e.g. B. Semiconductor periods, and used with a threshold value corresponding to the predetermined limit value. The difference signal is preferably formed directly via the valves by supplying the measurement signal to the valve inlet and the direct component signal to the Valve outlet. The valves, together with a current limiting resistor, form expediently z. B. internal resistance of the measurement signal source or output resistance of an upstream Preamplifier, the part of the amplitude limiter that actually limits the amplitude.

An Hand einer Figur wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben und seine Wirkungsweise erläutert. An exemplary embodiment is described and based on a figure explains its mode of operation.

In der Figur ist mit 1 der Vorverstärker eines Elektrokardiographen bezeichnet, dem über die Eingangsleitungen 2 an (nicht dargestellten) EKG-Elektroden abgenommene EKG-Signale zugeführt werden. In the figure, 1 is the preamplifier of an electrocardiograph denotes, which via the input lines 2 to (not shown) EKG electrodes recorded ECG signals are supplied.

Diese EKG-Signale werden über einen Koppelkondensator 3 zur Gleichanteilunterdrückung sowie einer weiteren Verstärkereinrichtung 4 einem Aufzeichnungsgerät 5, z. B. Oszillograph, zugeführt.These EKG signals are used via a coupling capacitor 3 for direct component suppression and a further amplifier device 4 a recording device 5, for. B. oscilloscope, fed.

Zwischen dem Vorverstärker 1 und dem Koppelkondensator 3 ist ein Amplitudenbegrenzer 6 vorgesehen. Dieser Begrenzer enthält ein RC-Glied, bestehend aus dem ohmschen Widerstand 7 und einem Kondensator 8. Er enthält ferner zwei Halbleiterdioden 9, 10 in Zweiwegformation, die ausgangsseitig über einen Operationsverstärker 11 mit Rückkoppelwiderstand 12 am Kondensator 8 angeschaltet sind. Between the preamplifier 1 and the coupling capacitor 3 is a Amplitude limiter 6 is provided. This limiter contains an RC element, consisting of from the ohmic resistor 7 and a capacitor 8. It also contains two semiconductor diodes 9, 10 in two-way formation, the output side via an operational amplifier 11 are connected to the capacitor 8 with feedback resistor 12.

Das RC-Glied 7, 8 dient zur fortlaufenden Mittelwertbildung der am Ausgang des Vorverstärkers 1 anfallenden elektrischen Signale über die Zeit. Der sich jeweils ergebende Mittelwert entspricht dem Gleichanteil dieser elektrischen Signale (Gleichanteil im EKG). Der Operationsverstärker 11 arbeitet lediglich als Impedanzwandler, d. h., das am hochohmigen Eingang des Operationsverstärkers 11 anliegende Mittelwertsignal erscheint in der Spannung unverstärkt wieder am niederohmigen Ausgang dieses Verstärkers. Die Dioden 9, 10 weisen jeweils einen Schwellenwert von 600 mV auf, d. h., die Dioden sind gesperrt, solange die Differenz zwischen dem an den Diodeneingängen 13 anliegenden Ausgangssignal des Vorverstärkers 1 und dem Amplitudenwert des an den Diodenausgängen 14 anliegenden Mittelwertsignals betragsmäßig kleiner als 600 mV ist, und sie werden leitend, wenn der Ausgangswert des Vorverstärkers 1 das Mittelwertsignal um Werte größer/ gleich 600 mV entweder im positiven Sinn (Diode 10 leitend) oder im negativen Sinn (Diode 9 leitend) überschreitet. Der Ausgangswiderstand des Vorverstärkers 1 ist hochohmig (etwa 50 kQ), und sein Verstärkungsfaktor ist so gewählt, daß die Amplitude der R-Zacke im EKG (bezogen auf das jeweils überlagerte Gleichpotential) im wesentlichen 300 mV nicht überschreitet. The RC element 7, 8 is used for continuous averaging of the am Output of the preamplifier 1 occurring electrical signals over time. Of the the resulting mean value corresponds to the constant component of this electrical Signals (direct component in the EKG). The operational amplifier 11 operates only as a Impedance converter, d. that is, the one at the high-impedance input of the operational amplifier 11 pending mean value signal appears in the voltage unamplified again at the low resistance Output of this amplifier. The diodes 9, 10 each have a threshold value from 600 mV to, d. i.e. the diodes are blocked as long as the difference between the output signal of the present at the diode inputs 13 Preamplifier 1 and the amplitude value of the mean value signal applied to the diode outputs 14 is less than 600 mV in terms of magnitude, and they become conductive when the initial value of the preamplifier 1 increases the mean value signal by values greater than / equal to 600 mV either exceeds in the positive sense (diode 10 conducting) or in the negative sense (diode 9 conducting). The output resistance of the preamplifier 1 is high ohmic (about 50 kΩ), and its The amplification factor is chosen so that the amplitude of the R-wave in the EKG (related to the respectively superimposed DC potential) does not essentially exceed 300 mV.

Die Wirkungsweise der Schaltung nach dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur ergibt sich wie folgt: Das RC-Glied 7, 8 ermittelt fortlaufend den Gleichanteil in der Ausgangsspannung des Vorverstärkers 1 und teilt den jeweils vorliegenden Wert über den Operationsverstärker 11 den Diodenausgängen 14 mit. Solange die Differenz zwischen der Ausgangsspannung des Vorverstärkers 1 und des Gleichanteils den Wert von 600 mV betragsmäßig nicht überschreitet, sind beide Dioden 9 und 10 gesperrt, d. h., die Ausgangssignale des Vorverstärkers 1 werden unverändert über den Kondensator 3 und die Ver- stärkereinrichtung 4 dem Autzeichnungsgerät 5 zugeführt. The operation of the circuit according to the embodiment according to The figure results as follows: The RC element 7, 8 continuously determines the constant component in the output voltage of the preamplifier 1 and divides the respective present Value via the operational amplifier 11 with the diode outputs 14. As long as the difference between the output voltage of the preamplifier 1 and the DC component is the value of 600 mV, both diodes 9 and 10 are blocked, d. That is, the output signals of the preamplifier 1 are unchanged via the capacitor 3 and the strengthening device 4 supplied to the autograph device 5.

Treten jedoch im Ausgangssignal des Vorverstärkers 1 Spitzenwerte auf, die betragsmäßig um mehr als 600mV von der Mittelwertsignalamplitude abweichen, z. B. zusammen mit dem EKG abgenommene Schrittmacherimpulse, so wird je nach Polarität dieser Spitzen entweder die Diode 9 oder die Diode 10 leitend und der jeweilige Spitzenwert, z. B. der Schrittmacherimpulse, somit begrenzt (Ausgangswiderstand des Operationsverstärkers 11 und Innenwiderstand der leitenden Diode sind vernachlässigbar klein gegenüber dem strombegrenzend wirkenden hochohmigen Ausgangswiderstand des Vorverstärkers 1). Die Amplitude der so begrenzten Spitzenwerte beträgt je nach ihrer Polarität unabhängig vom Gleichanteil im Ausgangssignal des Vorverstärkers 1 immer entweder + 600 mV oder~600 mV, bezogen auf den Gleichanteil, und ist damit im ungünstigsten Fall höchstens doppelt so groß wie die höchste zu erwartende R-Zackenamplitude im EKG (maximal + 300 mV nach Vorverstärkung). Eine solche Amplitude erzeugt am Kondensator 3 keine störenden Umladungen bzw. führt zu keinen unerwünschten Übersteuerungen in der Verstärkereinrichtung 4. However, peak values occur in the output signal of preamplifier 1 which deviate in terms of amount by more than 600mV from the mean value signal amplitude, z. B. pacemaker pulses taken together with the EKG, depending on the polarity of these tips either the diode 9 or the diode 10 conductive and the respective Peak value, e.g. B. the pacemaker pulses, thus limited (output resistance of the operational amplifier 11 and the internal resistance of the conductive diode are negligible small compared to the current-limiting high-ohm output resistance of the Preamplifier 1). The amplitude of the peak values limited in this way is depending on their polarity independent of the DC component in the output signal of the preamplifier 1 is always either + 600 mV or ~ 600 mV, based on the direct component, and is therefore in the worst case, at most twice as large as the highest expected R-wave amplitude in the ECG (maximum + 300 mV after preamplification). Such an amplitude is generated on Capacitor 3 does not have any disruptive charge reversals and does not lead to undesired overloads in the amplifier device 4.

Claims

Claims: 1. Device for acquiring electrical measurement signals with capacitive members switched on in the measurement signal path, e.g. B. coupling capacitors, and measurement signal amplifiers and an amplitude limiter, in particular an electrocardiograph for recording the electrocardiogram, d a - characterized in that for prevention unwanted recharging processes on the capacitive members (3) or amplifier overloads (e.g. in 4) short-term, if necessary, superimposed by the actual useful measurement signal Voltage or current pulses of high amplitude, e.g. pacemaker pulses in the electrocardiogram, the amplitude limiter (6) in the measuring signal path before the capacitive elements or

Amplifiers is provided and that it contains means (7, 8) for continuous Acquisition of the measurement signal DC component as well as one of the DC component signal and measurement signal fed limit value indicator (9, 10), which activates the limiter when the Measurement signal and the DC component signal in amplitude around a predetermined limit value differ from each other.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the detection of the constant component through continuous averaging of the measurement signal over the Time in an averager (9, 10), e.g. B. RC element happens.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the Limit value indicator contains means for the continuous formation of the difference between the amplitudes of the measurement signal and the DC component signal as well as one of the difference signal fed threshold discriminator with the predetermined limit value corresponding Response threshold, which activates the limiter when the difference signal the Response threshold exceeded.

4. Apparatus according to claim3, characterized in that the threshold discriminator from electric valves (9, 10) with a non-linear characteristic, e.g. B. semiconductor diodes, and with a threshold value corresponding to the predetermined limit value, which Valves are blocked as long as the difference signal differentiates the threshold value and which become conductive as soon as the difference signal exceeds the threshold value.

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that by feeding of the measurement signal to the valve input (13) and the direct component signal to the valve output (14) the difference signal is formed directly via the valves (9, 10).

6. Apparatus according to claim 4 or 5, characterized in that the Valves (9, 10) are connected in a two-way formation.

7. Device according to one of claims 4 to 6, characterized in that that the valves (9, 10) together with a current limiting resistor, for. B. Internal resistance the measurement signal source or output resistance of an upstream preamplifier, the part of the amplitude limiter that performs the actual amplitude limitation (6) form.

8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that that the supply of the DC component signal to the limit value indicator via an input side high-resistance and output-side low-resistance impedance converter (11) happens.

9. Apparatus according to claim 8, characterized in that as an impedance converter (11) an operational amplifier is used.

The invention relates to a device for detecting electrical Measurement signals with capacitive elements switched on in the measurement signal path, e.g. B.

Coupling capacitors and measuring signal amplifiers as well as an amplitude limiter, in particular electrocardiograph for recording the electrocardiogram.

With devices of this type it happens relatively often that the actual Measurement signal superimposed on short-term voltage or current peaks of high amplitude are that lead to undesired recharging processes on the capacitive members or to undesired ones Amplifier overload. In general, therefore, one endeavors to largely eliminate these peaks, which z. B. in a known manner by blanking these tips can happen. There are also circuits known in which this The amplitude of the peaks is attenuated by limiting the slope of the edge that they practically no longer appear in the useful measurement signal. In in practice, however, there are also cases where the blanking or strong attenuation of such Voltage or current peaks are not desired, on the contrary, these peaks detected together with the actual measurement signal and z. B. on a display device should be mapped. Such a case occurs, for example, in electromedicine in the monitoring of cardiac patients whose cardiac actions by stimulus impulses, z. B. a pacemaker (pacemaker pulses), supported or controlled. Here it is desirable that the stimulus pulses together with the electrode cardiogram of the patient can be recorded and made visible. The supervising doctor can then on the basis of the recording z. B. control the success of stimulus support, or it can also be made from the shape of the imaged pulses, e.g. B. from the base width or the pulse amplitude, or conclusions on the operating status from the pulse repetition frequency pull the pacemaker.