DE2265229A1

DE2265229A1 - Ueberwachungseinrichtung fuer periodische komplexe physiologische signale

Info

Publication number: DE2265229A1
Application number: DE19722265229
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: BRATTLE INSTRUMENT CORP
Current assignee: Wyeth LLC
Priority date: 1971-12-30
Filing date: 1972-12-22
Publication date: 1976-12-09
Also published as: FR2166971A5; US3811428A; DE2263180C2; DE2265229C2; DE2263180A1; JPS4878793A; JPS572331B2; GB1410939A; IT976241B; GB1410940A; CA993522A

Description

3966-7 2A/Sch/Ba P»*«r>hnw*»»· ^i/;uJA''^g

Dr.-Ing. Ernst Sommarfeld

Dr. Oistc. v. Gszold

Dipl.-!:vj. '·■■-«■ - Ccr.ütz

DIpI.-Ing. WoiLj'.ng Hausier

8 München 86, Postfach 880ββθ

BRATTLE IKSTRUMi ¹S CORPORATION

Überwachungseinrichtung für periodische konplexe johvjs i ο logische

Signale

Die Erfindung betrifft die Überwachung biologischer Signale und ist besonders geeignet für die Messung der fötalen Herzfrequenz.

Es ist bekannt, daß die Änderungsmuster der fötalen Herzfrequenz während der wehen Informationen über das Wohlergehen des Fötus enthalten. Man hat sich daher bemüht, die fötale Herzfrequenz genau zu messen. Bei einigen dieser Versuche wurden die Herztöne direkt akustisch aufgenommen. Andere Versuche erfolgten auf der Grundlage der Dopplerverschiebung eines Ultra-. schallsignals, welches von der sich bewegenden Wand des fötalen Herzens reflektiert wird. Wiederum andere Versuche bestanden darin, elektrische Signale entweder direkt von der fötalen Schädeldecke oder durch den Unterleib der Mutter aufzunehmen. Diese letztgenannte "abdominale" Signalerfassung wird kompliziert durch den Verdeckungseffekt der mütterlichen Herzschläge, die um vieles stärker als die fötalen Herzschläge sind und sich häufig mit jenen vermischen (d.h. gleichzeitig auftreten). Ferner gibt es bei dieser Methode eine Vielzahl anderer Störquellen, die eine genaue Erfassung der sehr schwachen fötalen Signale äußerst schwierig machen. Die zur Zeit vorhandenen Geräte für die abdominale Signalerfassung sind schwer zu bedienen und nicht immer genau.

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Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Echtzeit-Überwachung der fötalen Herzfrequenz (sowie auch die analoge Überwachung anderer relativ schwacher Komponenten komplexer biologischer Signale, wie z.B. der T- und P-Zacken im EKG) auf genauere und zuverlässigere V.^Teise und dennoch mit einer relativ preiswerten und leicht zu bedienenden Einrichtung. Das erfindungsgeuäße Systera kann über einen großen Bereich von Frequenzen arbeiten, es ist für eine sehr gute elektrische Isolation des Patienten gesorgt, und ausserdem wird ein ausgezeichnetes Gleichgewicht zwischen der Vermeidung von Auslesungen falscher Informationen einerseits und der Geringhaltung von Ausleseausfällen andererseits erreicht, während welcher richtige Informationen verloren gehen (einschl. z.B. einer schnellen Erholung von durch Rauschen verursachten Ausfällen).

Allgemein ist die Erfindung ein Überwachungsgerät für ein erstes elektrisches Signal, welches eine erste Komponente eines sich wiederholenden komplexem biologischen Signals darstellt und eine zweite Komponente enthält, welche stärker als die erste Komponente ist. Wenn die Erfindung als Überwachungsgerät für die fötale Herzfrequenz ausgebildet ist _f dann sind diese beide Komponenten die Kammerkomplexe (QRS-Komplexe) des Fötus und der Mutter. Das erfindungsgemäße Überwachungsgerät enthält einen Signalverarbeitungskanal, in welchem die ersten Signale erfaßt werden. Zweite Signale, die charakteristisch für das Auftreten der zweiten Komponente sind, werden längs eines Teils dieses Kanals übertragen. Das Überwachungsgerät enthält ferner eine Schaltung zur automatischen Schwellenwertbildung in dem besagten Kanal, um der Signalamplitude zu folgen und ein Ausgangssignal zu liefern, welches das Vorhandensein der ersten Komponente nur dann signalisiert, wenn ein Signal empfangen wird, dessen Amplitude ein vorbestimmtes Verhältnis zur Amplitude des zuvor verfolgten Signals hat. Ferner enthält das erfindungs gemäße Überwachungsgerät eine Einrichtung, die verhindert,

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daß die Schaltung zur automatischen Schwellenwertbildung auf die zweiten Signale anspricht. Verschiedene allgemeine anderen Merkmale der Erfindung sind eine logische Schaltung zur Erzeugung von Auslesesignalen wobei die Entscheidung für jedes Auslesesignal teilweise auf einer statistischen Vorhersage beruht, die von dem Bild der in der Vergangenheit empfangenen Signale abgeleitet ist. Die logische Schaltung enthält (im Falle eines Überwachungsgeräts für die fötale Herzfrequenz) eine Phasenverriegelungsschleife zur Erzeugung von auf die Schleifenfrequenz bezogenen Signalen j'ür die fötale Herzfrequenz. Die Schleife enthält eine Einrichtung zum Schätzen der Frequenz während des Auftretens von Lücken in dem modifizierten Signalzug, die durch Entfernen derjenigen Signale entstanden sind, welche zusammenfallende mütterliche und fötale Herzschläge darstellen. Ferner ist ein Zähler vorgesehen, der auf die Abweichung zwischen der Zeit des Signalempfangs durch die logische Schaltung von der entsprechenden Vorhersage anspricht. Der Stand des Zählers nimmt zu, wenn diese Abweichung größer als ein vorjegebener Wert ist, und der Stand des Zählers nimmt ab, wenn diese Abweichung geringer als ein vorbestimmter Wert ist. Die Auslesung wird abgeschaltet, wenn der Zähler höher als ein erster Zählerstand steht, und die Anleitung der Vorhersage wird erneut begonnen, wenn der Zähler einen zweiten höheren Zählerstand erreicht. Das Überwachungsgerät kann Elektroden zur Signalabnahme am menschlichen Körper auf weisen und einen niederohmigen Vorverstärker enthalten, dem ein Trennverstärker hoher Impedanz nachgeschaltet ist, der seinerseits magnetisch (oder auf andere Weise indirekt) mit seinem Ausgang an den übrigen Teil der Signalverarbeitungsschaltung gekoppelt ist. Als weitere Bestandteile können vorgesehen sein: Eine Verzögerungseinrichtung zum Empfang derjenigen Signale, die noch Überreste der unvollkommen entfernten zweiten (mütterlichen) Signale enthalten, sowie eine Einrichtung zum Ausschließen solcher Überreste vom Ausgang der'Verzögerungseinrichtung, ein FjLIter mit niedrigem

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(Gütefaktor für die linear behandelten, den fötalen QRS-Komplexen entsprechende Signale, dessen Ausgang mindestens 25% seiner Signalenergie im 50 bis 100 Hz-Bereich (mit Ausnahme des 60 Hz-Brumms) enthält, und ein Kerbfilter zur Unterdrückung des 60 Hz-Bruinms.

Die nachfolgend beschriebene Erfindung enthält eine digitale Phasenverriegelungsschleife, welche wiederkehrende sogenannte "Fenster" ei zeugt, die so groß und in einem solchen Abstand zueinander sind, daß sie sich mit einem fötalen Signal überlappen, was auf der Basis der Statistik vorangegangener Abstände ungeachtet einer Änderung innerhalb vorgegebener Grenzen erzielt wird. Dabei wird dafür gesorgt, daß unter bestimmten Bedingungen die Phase und Frequenz der "Fenster" auf den neuesten Stand gebracht wird, und zwar aufgrund der tatsächlichen Positionen der Signale innerhalb der Fenster. Eine gesonderte Elektrode dient zur Aufnahme der Signale des mütterlichen QRS-Komplexes, wobei diese Signale in bestimmter zeitlicher Beziehung mit der übertragung der mütterlichen S_gnale über den ersten Kanal durch eine Signalverarbeitungsschaltung gesendet werden. Diese Schaltung hat eine Verbindung zum ersten Kanal, um die mütterlichen Signale daraus zu entfernen. Sov/ohl für die mütterlichen als auch die fötalen Signale ist eine Einrichtung zur automatischen Schwellenwertbildung vorgesehen. Für die fötalen Signale enthält sie eine Anordnung zur Speicherung und zum Abklingenlassen von Spitzenwerten zwischen einer oberen Grenze und einer variablen unteren Grenze, die von dem über die jüngstvergangene Zeit gebildeten Signalmittelwert abhängt.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus nachstehender Beschreibung hervor, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert wird.

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Figur 1 ist ein Blockschaltbild der analogen si^nalverarbeitenden Spaltung;

Figuren 2a,b ergeben zusammen ein der Figur 1 entsprechendes Schaltbild;

Figuren 3 bis 8 zeigen als Spannungs/Zeit-Kurven den Signalverlauf an verschiedenen Stellen der in den Figuren 1, 2a und 2b gezeigten Schaltung;

Figur 9 ist ein · Elußdiagramm des Algorithmus der digitalen Phasenverriegelungsschleife und der Auslesung;

Figur 10 ist ein Blockschaltbild der digitalen Verriegelungsschaltung und der Ausleseschaltung;

Figuren 11a, b, c, d ergeben zusammen eine der Figur 10 entsprechendes Schaltbild;

Figuren 12 und 13 zeigen Schaltbilder für Taktimpulsgeneratoren;

Figur 14 zeigt teilweise in Blockform das Schaltbild der Einrichtung zur Herstellung der variablen unteren Grenze im Spitzendetektor für die fötalen Signale.

Die in Figur 1 dargestellten Elektroden 10 und 11 werden am Patienten angebracht, um die QRS-Signale der Mutter und des Fötus aufzunehmen und sie über höchst rauscharme verstärker 12 und 13 (Verstärkungsfaktor 30) den Patienten-Trennverf ärkern 16 und 18 zuzuführen. Die Elektrode 11 wird auf ( ι Unterleib gelegt, wo man das beste fötale Signal er-1 it, und die Elektrode 10 wird vorzugsweise an einer Stelle (z. B. auf den Rippen) angeordnet, wo man die stärksten mütterlichen Signale erhält. Eine Bezugselektrode 20 wird an die Hüfte gelegt.

Die Verstärker 12 und 13 haben eine niedrige Impedanz in der Größenordnung von 10 0hm. Wie in dem Detailschaltbild der Figuren 2a - b gezeigt ist, sind diese Verstärker mit jeweils einem 100 K2 -Widerstand und einem 0,01 /J.F-Kondensator geshuntet. Es wurde herausgefunden, daß eine solche niedrige Impedanz einen verbesserten Rauschabstand liefert,der den Nachteil der entsprechenden Verminderung des gesamten Signal-

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pcgels aufwiegt. Die Verstärker 16 und 18 sind jeweils ein mit dem übrigen System und der Energieversorgung der Verstärker gekoppelter Transformator und bilden eine sehr hohe

1 ρ Impedanz (in der Größenordnung von 10 Ohm) zwischen dei Elektroden und Kasse, so daß der Patient vor Stromschlägen geschützt ist.

Das verstärkte mütterliche Signal durchläuft ein aktives Bandpaßfilter 28 niedriger Güte (Q-Wert kleiner als 10 und vorzugsweise 0,5 bis 1) und einer Mittenfrequenz von 17 Hz (das Optimum innerhalb eines bevorzugten Mittenfrequenzbereichs von 15 bis 25 Hz), der Mitte der Spitzenenergie in den mütterlichen QRF-7-cken. Das verstärkte fötale Signal gelangt durch ein ^laskadengeschaltetes Paar von aktiven Bandpaßfiltern 30 und 32 ähnlich niedriger Güte und einer Mittenfrequenz von 32 Hz fdem Optimum in einem bevorzugten Mittenfrequenzbereich von 25 bis 40 Hz), der Mitte der Spitzenenergie in de . fötalen QRS-Zacken, wobei sich diese Energie grob geschätzt über den Bereich von 5 Hz bis 100 Hz erstreckt. (Gemäß dem Detailschaltbild nach Figur 2 sind die Filter 28 und 30 mit den Verstärkern 16 und 18 vereinigt, deren erster ein Verstärkungsfaktor von20 und deren zweiter einen Verstärkungsfaktor von 40 bei einem Gütefaktor von Q = 1 liefert). Diese Filter niedriger Güte zeigen ein ausgezeichnetes Einschwingverhalten (gleichwertig mit angepaßten Filtern) gegenüber den bis hier linear behandelten Signalen, die sie empfangen. Die Filterkennlinien des kaskadengeschalteten Filterpaars 30, 32 multiplizieren sich, wodurch die Bandbreite schmaler wird und eine sehr flache Kennlinie entsteht. Der Ausgang des Filters 32 hat mindestens 25 % der Signalenergie im Bereich von 50 bis 100 Hz (mit Ausnahme des 60 Hz-Rauschens)₇weil hier die wesentliche Nutzenergie der fötalen Signale liegt,·. Durch die hiermit effektiv erhöhte Ausnutzung der fötalen Signalenergie (mit dem begleitenden 60 Hz-Rauschen, wird

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sich später gesondert befaßt) wird der Rauschabstand endgültig verbessert.

Die von den Filtern 28 und 30 kommenden Signale speisen spannungsgesteuerte Oszillatoren 29 und 31, welche die Eingangsspannung in eine linear davon abhängige Frequenz umsetzen und somit ein FM-Signal der Eingangswelle erzeugen. Die Ausgangssignale dar Oszillatoren laufen über Trenntransformatoren, die mit Demodulations- und Analogschaltungen gekoppelt sind. Diese Schaltungen enthalten analoge Phasenverriegelungsschleifen 33 und 35 und verwandeln die Signale zurück in eine Wellenform, welche der den spannungsgesteuerten Oszillatoren zugeführten Wellenform entspricht.

Nach weiterer Verstärkung der mütterlichen Signale im Verstärker 34 durchlaufen die mütterlichen und fötalen Signale Jeweils ein auf 60 Hz abgestimmtes Doppel-T-Kerbfilter 36 bzw. 38 zur Dämpfung des 60 Hz-Rauschens, und werden anschließend Präzisions-Vollweggleichrichtern AO und 42 zugeführt. Figur 3 zeigt die mütterlichen und fötalen Signalformen 44 und 46 (die ViTeIlenform 46 enthält natürlich noch sowohl mütterliche als auch fötale Signale) an den Gleichrichtereingängen₅und 48 und 50 an den Gleichrichterausgängen. Wegen der Gleichrichter entfällt die Notwendigkeit, auf unterschiedliche Signalpolarität Rücksicht zu nehmen. Zunächst sei das mütterliche Signal betrachtet. Der Ausgang des Gleichrichters 40 wird sowohl dem Spitzendetektor 52 als auch dem Komparator 54 zugeführt. Der Spitzendetektor speichert zunächst den Wert der Spitzenamplitude eines ihm zugeführten Signals und läßt ihn dann allmählich in Richtung auf Null abklingen, bis er ein weiteres Signal empfängt, dessen Spitzenamplitude höher als der Augenblickswert ist, auf den der ursprünglich gespeicherte Spitzenwert

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abgesunken ist. Somit wird nunmehr der neue Spitzenwert gespeichert, usw. Der Komparator 54 empfängt am zweiten Eingang 90 % (der bevorzugte Bereich ist 70 bis 90 %) des in dem Spitzendetektor gespeicherten Werts. Der Komparator "zündet" immer dann, wenn der Spitzenwert am Ausgang des Gleichrichters 40 größer als 90 % des im Spitzendetektor gespeicherten Werts ist. Auf diese V/eise erfolgt eine automatische Schwellenwertbildung für den müttlerlichen Signalzug, wobei eine Entscheidung über das Vorhandensein oder das Fehlen einer mütterlichen QRS-Welle zu jeder gegebenen Zeit auf der Grundlage der jüngsten Vorgeschichte dieser Wellen getroffen wird. Somit erfolgt eine genaue Erfassung ungeachtet der Änderungen des allge meinen Signalpegels. Für den Spitzendetektor ist eine obere Grenze eingestellt, so daß ein vorübergehender starker Störsignalstoß den gespeicherten Wert nicht auf einen irreführend hoher. cPegel bringen kann.

Der Ausgang des Komparators 54 wird zum Anstoßen eines Univibrators (monostabiler Multivibrator) 56 herangezogen, dessen Impulsbreite oder Rückkippzeit so groß ist wie das breiteste zu erwartende mütterliche QRS-Signal (z.B. Millisekunden).

Figur 4 zeigt den Ausgang 57 des Spitzendetektors 52, den Ausgang 58 des Komparators 54 und den Ausgang 59 des Univibrators 56.

Was das fötale Signal betrifft, wird das Ausgangssignal des Gleichrichters 42 einem Paynter-Mittelwertfilter 60 zugeführt, welches einen sich bewegenden Mittelwert des Signals bildet und das Verhältnis zwischen den Stärken der fötalen und mütterlichen Signale günstiger macht. Die besagte Mittelwertbildung erfolgt über eine Zeitspanne von etwa 17 Millisekunden (das Optimum in einem bevorzugten Bereich von 12 bis 20 Millisekunden) d.h. ,die Zeitkonstante

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ist so gewählt,daß sie der zu erwartenden Dauer der fötalen QRS-Wellen angepaßt ist. Figur 5 zeigt den Ausgang 62 des Paynter-Filters, der fötale Impulse 64 und mütterliche Impulse 66 enthält, wobei die letzteren die ersteren natürlich überdecken, wenn die Herzschläge des Fötus und der Mutter zusammenfallen.

Die Ausgangssignal des Paynter-Filters 60 und des Univibrators 56 werden einer analogen Torschaltung 70 zugeführt, die jedesmal während des Erregungszustandes des Univibrators sperrt und somit alle mütterlichen Impulse mit Ausnahme ihrer Vorderflanken aus dem Ausgangssignal des Paynter-Filters ausblendet. Das Ergebnis ist in Figur 6 dargestellt, wo die Nadelimpulse 72 die Vorderflanken der unterdrückten mütterlichen Impulse sind.

Das resultierende Signal gelangt über einen Verstärker 74 suwuhl zu einem Spitzendetektor 76 als auch zu einem Komparator 78, die beide, ebenso wie der Spitzendetektor 52 und der Komparator 54 für die mütterlichen Impulse, zur Erfassung der fötalen Impulse 64 unter automatischer Schwellenwertbildung dienen. Die Ladezeitkonstante des Spitzendetektors ist mit etwa 3 bis 4 Millisekunden so gewählt, daß die von den mütterlichen Signalen herrührenden Nadelimpulse 72 keine Rückstellung bewirken. Der Spitzendetektor wird mit einer oberen und unteren Grenze ausgestattet, wobei die untere Grenze zur Unterdrückung von niederpegeligem Rauschen vorgesehen ist, welches einen fötalen Impuls verfälschen könnte. Obwohl durch die untere Grenze sehr schwache fötale Impulse säten ausgeblendet werden können,ist die Anordnung vorzugsweise so aufgebaut, daß eine direkte Dar stellung der Ausgangssignale des Filters 32 eingeschaltet werden kann, was an dieser Stelle jedoch nicht im einzelnen beschrieben wird. Die untere Grenze kann zwar fest eingestellt sein, jedoch wird eine größere Genauigkeit (angesichts vonÄÄnderungen des allgemeinen Rauschens oder der fötalen

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Signalpegel) erzielt, wenn der Grenzwert in Übereinstimmung mit einem Signalmittelwert geändert wird, den der Spitzendetektor während einer unmittelbar vorangegangenen Periode, z.B. während der letzten 10 Sekunden, erreicht hat. In Figur 14 ist eine Schaltungsanordnung 79 gezeigt, die eine solche variable untere Grenze von z.B. dem doppelten des besagten Signalmittelwerts herstellt. Die Ausgangssignale 80 und 82 des Spitzendetektors und des Komparators sind in Figur 7 gezeigt. Die Impulse 84 entsprechen den fötalen Zacken und die Nadelimpulse 86 den Vorderflanken der mütterlichen Zacken.

Das Ausgangssignal 82 des Komparators 78 durchläuft dann ein Schieberegister 90 (Figuren 1, 11a), welches eine Verzögerung von 32 Millisekunden bewirkt. Der Univibrator 56 stellt jedesmal, wenn er erregt wird, das Register 90 auf Null, so daß die Nadelimpulse 86 unterdrückt werden. SomiO werden alle Überreste der mütterlichen Impulse ungeachtet einer Änderung der mütterlichen Impulsfrequenz entfernt, venn auch zeitweilig auf Kosten aller mit den mütterlichen Impulsen zusammenfallenden fötalen Impulsen. Der Ausgang 85 des Schieberegisters ist in Figur 8 dargestellt. Das Register wird so gesteuert, daß es gleichzeitig mit der abfallenden Flanke eines jeden Impulses 8-einen 4 Millisekunden breiten Impulsen 87 liefert. Es hat sich herausgestellt, daß die Zeit zwischen den abfallenden Flanken ein genaueres Maß für den Impulsabstand ist als die Zeit zwischen den Anstiegsflanken.

Der resultierende Signalzug hat im allgemeinen im Vergleich mit der tatsächlichen Folge der fötalen Herzschläge einige Lücken, die fehlenden fötalen Signalen entsprechen. Andererseits enthält der resultierende Signalzug natürlich auch einige Impulse (Rauschen), die keinen wirklichen Herzschlägen entsprechen. Die nachstehend beschriebene Digital-

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schaltung ist dazu ausgelegt, den besagten Signalzug durch Wiederherstellung der fehlenden fötalen Impulse und durch Entfernung des Rauschens bzw. der Störungen so weit wie möglich zu modifizieren.

Allgemein verwendet die Digitalschaltung eine Phasenverriegelungsschleife, und es wird eine Folge von sogenannten Zeit-"Fenstern" (deren jedes im wesentlichen die positive Hälfte einer Rechteckwelle ist) mit einer Periode und einer Phase erzeugt, die jeweils aufgrund der jüngsten Vorgeschichte des Ausgangs des Schieberegisters 90 derart auf den neuesten Stand gebracht wird, daß die Mitte der Fenster auf die Impulse 87 zu liegen kommt. Jeder außerhalb eines Fensters empfangene Impuls 87 wird für die Auslesung ignoriert.«Die Schleife ignoriert ebenso Impulse, die zu zweit oder zu mehreren in ein einzelnes Fenster fallen. Der angezeigte Wert ist die tatsächliche Zeit zwischen den Impulsen 87, wenn sie einzeln in aufeinanderfolgende Fenster fallen. Wenn nur eines von zwei aufeinanderfolgenden Fenstern einen einzigen Impuls enthält, ist die angezeigte Größe die Zeit von diesem Impuls bis zur Mitte des anderen Fensters. Wenn in keinem zweier aufeinanderfolgender Fenster ein einzelner Impuls auftritt, dann ist die angezeigte Größe die Zeit zwischen den Mitten der beiden Fenster. Falls zu viele Fenster ohne jeweils einen einzelnen Impuls erscheinen oder falls zu viele Impulse außerhalb der Fenster auftreten, dann wird die An2eige vorübergehend ausgesetzt. Die Phase der Fenster wird nur dann auf den neuesten Stand gebracht, wenn Fenster mit Einzelimpulsen auftreten, und die Periode (Frequenz der Fenster) wird nur dann auf den neuesten Stand gebracht, wenn aufeinanderfolgende Fenster mit Einzelimpulsen auftreten.

Der in der Phasenverriegelungsschleife herangezogene Algorithmus ist im Flußdiagramm gemäß Fig. 9 gezeigt. Die Fensterbreite (Block 100) ist ungefähr (eine genauere Definition wird weiter unten gegeben) gleich der halben

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Durchlaufperiode der Schleife, das heißt der Hälfte des Intervalls von der Mitte eines Fensters bis zur Mitte des nächsten Fensters. Wie im Flußdiagrarara gezeigt, beeinfluß das Iinpulsmuster i:.-i augenblicklichen und in dem zuletzt vorangegangenen Unstern die Werte der "Neuen Periode" (welche am Ende die Frequenzanzeige liefert), der "Mittleren Periode" (die ihrerseits die tatsächliche Fensterfrequenz und auch die Fensterbreite bestimmt), und des "Intervalls zwischen den Fenstern" (welches beim Fehlen einer Nachstellung der Fensterfrequenz die Fensterphase steuert). Insbesondere wenn das augenblickliche Fenster mehrere Impulse oder keinen Impuls enthält, wird weder bei der "Neuen Periode" (Block 102) noch bei der "Mittleren Periode" (Block 104) eine Einstellung vorgenommen, und das "Intervall" bleibt halb so groß wie die "Mittlere Periode" (Block 106). Wenn ein solches Fenster von einem Fenster mit einem einzelnen Impuls gefolgt wird, dann wird die "Neue Perlode" gleich der Zeit von der Mitte des ersten Fensters bis zu dem Impuls im zweiten Fenster gemacht (Block 108), die "Mittlere Periode" bleibt unverändert (d.h. keine Frequenznachstellung, Block 110), und das "Intervall" wird so eingestellt., daß es gleich ist 3/4 der "Mittleren Periode" minus derZeit zwisehen dem Ende des augenblicklichen Fensters und dem darin befindlichen Impuls (Block 112). Das heißt die Phase der Fenster wird so eingestellt, daß der nächste Impuls 87 innerhalb seines Fensters zentriert wird (falls sich die Impulsfrequenz nicht geändert hat) ohne Jedoch die Fensterfrequenz zu ändern, da die Information im vorangegangenen Fenster unzuverlässig war und eine falsche Frequenzeinstellung aufgrund dieser unzuverlässigen Information einen von Fenster zu Fenster anwachsenden Fehler verursachen würde. Wenn schließlich zwei aufeinanderfolgende Fenster Jeweils einen einzelnen Impuls enthalten, dann wird die "Neue Periode" gleich der Zeit zwischen den aufeinanderfolgenden Impulsen 87 eingestellt (Block 114),

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die "Mittlere Periode" wird halb so groß wie die Summe der nachjustierten "Neuen Periode" und der alten "Mittleren Periode" gemacht (Block 116, wodurch eine Frequenzeinstellung erfolgt, obwohl nur so weit₅wie es zur Begründung der Hälfte irgendeiner Änderung des Intervalls zwischen den Impulsen 87 ausreicht, um Überkompensation zu vermeiden), und das "Intervall" wird auf 3/4 der neuen "Mittleren Periode" minus der Zeit zwischen dem Ende des augenblicklichen Fensters und dem darin befindlichen Impuls eingestellt (d.h. die Phase wird ebenfalls eingestellt, Block 118). Es sei erwähnt, daß der ausgelesene ¥_ert stets die "Neue Periode" ist, die nicht direkt von den gerade beschriebenen Frequenz- und Phaseneinstellungen beeinflußt wird«

Wegen Ihrer digitalen Natur und der Verwendung von Zählern mit hoher Auflösung kann die Phasenverriegelungsschleife in einem breiten Frequenzbereich (z.B. 60 bis 240 Impulse je Minute) arbeiten und können die Einstellung und die Anzeigeentscheidungen bis zum Ende eines jeden Fensters aufgeschoben werden.

Ein Zähler folgt dem Verhältnis zwischen Impulsen 87, die ausserhalb der Fenster erscheinen und solchen Impulsen, die einzeln innerhalb der Fenster auftreten. Der Zählerstand wird für jeden ausserhalb auftretenden Impuls um 1 vermehrt (Block 117) und für jeden innerhalb eines Fensters einzeln auftretenden Impuls um 1/2 vermindert (Block 119). Mehrere innerhalb eines Fensters auftretende Impulse werden vom Zähler ignoriert. Wenn der Zähler einen Stand von 5 erreicht, dann wird die Auslesung der "Neuen Periode" angehalten (Block 120). Wenn der Zählerstand wieder auf einen Wert unter 5 zurückkehrt, dann wird die Auslesung wieder aufgenommen (Block 122). Sollte der Zählerstand oder mehr erreichen, dann wird die Auslesung angehalten (Block 120), der Zähler wird auf 0 gestellt, und ein

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Wiederanlaufprogramm wird begonnen (Block 124).

Im Wiederanlaufprogramn wird willkürlich angenommen, daß der Impuls 87, der den Stand des Zählers auf 8 gebracht hat, einem wirklichen fötalen Impuls entsprach, und die Zeit bis zum nächsten Impuls 87 wird gemessen. (Block 126) Sollte dieser nächste Impuls in kürzerer Zeit als 250 Millisekunden erscheinen, dann wird er ignoriert (Block 128), weil er eine unwahrscheinliche fötale Herzfrequenz von mehr als 240 Schlägen je Minute bedeuten würde. Wenn andererseits der nächste Impuls nicht innerhalb 800 Millisekunden erscheint, wird der Zähler auf 0 gestellt, und bei Erscheinen des nächsten Impulses 87 wird das Wiederanlaufprogramm erneut begonnen (Block 130). Hier wiederum wird ein Wiederanlauf mit einer unwahrscheinlichen (hier zu niedrigen) Frequenz verhindert. (Das Fehlen eines Impulses über die Zeit von 800 Millisekunden entspricht zwar 75 Schlagen pro Minute und nicht der unteren Grenze von 60 Schlagen pro Minute, mit denen ein Gleichlauf erwünscht ist. Würde man jedoch einen Wiederanlauf bei weniger als 75 Schlagen je Minute gestatten,dann würde das Risiko des Wiederanlaufens bei der Hälfte der wirklichen Frequenz in dem Falle wesentlich vergrößert werden, daß die mütterlichen Herzschläge alle anderen fötalen Herzschläge für eine bestimmte Zeit überdecken. Wenn dennoch ein Wiederanlauf bei der halben wirklichen Frequenz stattfinden würde, dann stellt das Verfahren, die Impulse innerhalb der Fenster mit nur dem halben Gewicht wie die Impulse ausserhalb der Fenster zu zählen, einen eventuellen Wiederbeginn des Wiederanlaufprogramms sicher.) Sollte schließlich, was immer noch den Block 126 betrifft, ein zweiter Impuls innerhalb der Zeit von 250 bis 800 Millisekunden erscheinen, dann werden die "Neue Periode" und die "Mittlere Periode" gleich der gemessenen Zeit zwischen den beiden Impulsen (Blöcke und 134) gemacht, und der Zähler wird willkürlich auf 6 ge stellt (Block 136). Wenn dann der Zählerstand auf 4 abnimmt,

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wird die Auslesung wieder aufgenommen. Falls der Zählerstand auf 8 zurückkehrt, wird wieder mit dem Wiederanlaufprogramm begonnen.

Der beschriebene Algorithmus schafft ein ausgezeichnetes Gleichgewicht zwischen der Vermeidung einer Auslesung falscher Informationen und der Verminderung von Ausfällen bei der Auslesung, während derer richtige Informationen verlor engehen.

Figur 10 veranschaulicht in einer Blockdarstellung die Realisierung der Phasenverriegelungsschleife und der zugehörigen Ausleseeinrichtungen. Der genaue Schaltungsaufbau geht aus den Figuren 11a - d, 12, 13 hervor. Die vom Schieberegister 90 kommenden Signale laufen in die Meßschaltung 150 für die "NeuePeriode" (Figur 11b), die aus zwei 4-Bit-Zählern 152, 154 mit paralleler Eingabe und einem JK-Flipflop 156 zur Löschung der Zähler besteht. Die "Neue Periode" - Information läuft zu 4-Bit-Voll- addierern 158, 160 im Generator 162 für das "Zwischenfensterintervall¹¹ (Figuren 1'1b, 11c), dfe ausserdem die im Block 164 (Figur fllb) erzeugten "Mittlere Periode"-Daten empfangen. Die von den Volladdierern kommenden Signale laufen in dip parallelen Eingänge von 4-Bit-Zählern 166, 168, welche die Daten des "Zwischenfensterintervalls" erzeugen. Die Zähler 166 und 168 laufen aus dem voreingestellten Stand auf die Summe von 1/4 der "mittleren Periode" plus dem bis hierher aufgelaufenen Wert der "Neue PeriodeaZähler 152 und 154 und nehmen bei jedem Takt um 1 zu (der letztgenannte Bestandteil der besagten Summe ist die Zeit zwischen dem gerade vorangegangenen Impuls und dem Ende des zu ihm gehörenden Fensters). Zwei 4-Bit-Binärvergleicher 170, 172 sprechen an, wenn der Stand der Zähler 166 und 168 gleich ist dem gespeicherten Wert für die "Mittlere Periode",und

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sirnriiiricron da ε "noo dos "Zwischeniencterintervalls". Dieses Signal lau^t dann zum Fer.storgenerator 174 (Figur 11c) der mit der Bildung des Fensters beginnt und mit 4-Bit-Zählern 176 und 178 die Fensterbreite auf die Hälfte der "Mittleren Periode" regelt. Cie Zähler 176 und 178 werden mit dem halben Wert der letzten ^slKittleren Periode" gefüllt und nehmen während Jedes Takts um 1 ab. Beim Nullstand ist die richtige Breite des Fensters vorhanden.

Eine Wiederanlauf-Zählschaltung 180 (Figur 11a) enthält einen vorwärts und rückwärts zählenden 4-Bit-lühler 182 mit parallelen Eingängen und ein JK-Flipflop 184,das ein über ^das andere Eingangssignal eine 1 zum Rückwärts zähl en erzeugt, um den oben beschriebenen Gewichtsfaktor zu liefern.

Der Wert der "Neuen Periode" wird in den 4-Bit-Registern 190 und 192 im Block 194 (Figur 11d) gespeichert und läuft zu einem Digital-Analog-Umsetzer 196 (Figur 11d) zur Umsetzung in eine Analogspannung. Diese Spannung, die ein Maß für die Periode ist, gelangt zu einer analogen Speicherschaltung 198, die einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor 200 und einen Funktionsverstärker 202 mit hoher Eingangsimpedanz sowie eine logische Schaltung enthält, welche die Auslesung sperrt, wenn der Zähler 182 auf 5 oder höher steht. Von der Speicherschaltung aus läuft das Signal zu einer analogen Dividierschaltung 204, wo es in eine Frequenzinformation umgesetzt wird, indem ein dem Reziprokwert dej Periodensignals proportionales Analogsignal erzeugt wird. Der Ausgang der Dividierschaltung wird im Verstärker 206 verstärkt und erfährt zudem eine Gleichspannungsverschiebung, um den Pegel wieder in richtigen Bezug zur Basislinie zu bringen. Anschließend wird das Signal einem Voltmeter mit digitaler Anzeige 208 und einem

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Streifenblatt schreiber 210 zugeführt.

Der Verstärkungsfaktor zwischen dem Eingang zur Speicherschaltung 198 und dem Ausgang der Dividier schaltung 204 wird so eingestellt, daß jeweils 10 Millivolt am Ausgang einer Frequenz von einem Herzschlag je Minute entsprechen.» Somit zeigt ein digitales Voltmeter, welches für 1 Volt eine Anzeige von 100 liefert, die exakte Herzfrequenz in Schlagen pro Minute an. In ähnlicher Weise ist der Streifenblattschreiber zur direkten Anzeige der Frequenz eingestellt» Somit können handelsübliche Anzeigegerät© (off the shelf devices) verwendet werden.

Figur 12 zeigt einen 2 KHz-Oszillator 220, dar eine Taktsignalquelle für die Digitalschaltung darstallt_c Das Signal wird inoeinem 4-Bit-Zähler 222 in eins 256-Hs-R3chteci:wslle T heruntergeteilt gemeinsam mit den scbrialloren Versionen T^! und T".

Figur 13 zeigt einen Ittz-Oszillator 224, eier einen Taktim-, puls zur Steuerung der Auslesefrequenz erzeugt.

Die in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung verwendeten wichtigsten Teile sind folgende:

1. Fairchild MA739C doppelter rauseharmer Funktionsverstärker für die Verstärker 12 und 13,

2. Teledyne Philbrick 1319 für die Bandpässe 28 and 30,

3. Die Oszillatoren 29 und 3Oi Signetics ΝΞ566,

Signetics

4. Die analogen Phasenverriegelungsschleifen 33 und 35iNE565,

5· Alle anderen Funktionsverstärker in der Analogschaltung: . Fairchild MA741,

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6. Alle Analogkomparatoren: National Semiconductor LMJ511,

7. Alle Univibratoren: Fairchild 9601,

8. FET 200.Γ Motorola 2N4220,

9. Ausgangstransistoren der Vorverstärker-Versorgung: Texas Instruments 2N3704; ale anderen Transistoren: Fairchild 2N4275*

10. Angepaßte Diodenpaare: Fairchild FA2000; alle anderen Dioden: Motorola 1N914,

11. Analoge Dividierschaltung 204/ Teledyne Philbrick 4452

12. D/A-Umsetzer 186; Analog Devices MDA8H,

13. Als Logikbausteine sind ve? Texas Instruments:

SN 7400 vierfaches NAND-Glied mit 2 Eingängen SN 7402 vierfaches NOR-Glied mit 2 Eingängen SN 7408 vierfaches UND-Glied mit 2 Eingängen SN 7404 Inverter mit 6 Eingängen
SN /410 NAND-Glied mit 3 Eingängen SN 74107 .JK-Flipflop . ;
SN 7483 4-Bit-Volladdierer
SN 7485 4-Bit-Komparator

SN 74193 4-Bit-Zähler (vor- und rückwärts) mit Parallelzuführung

SN 7498 4-Bit-Register mit doppelter Parallelzuführung SN 74164 8-Bit-Serien-Schieberegister

Es liegen auch andere Ausführungsformen im Bereich der mit den nachstehenden Ansprüchen umrissenen Erfindung. So kann die Erfindung die Aufnahme sowohl fötaler als auch mütterlicher Signale mit denselben am Unterleib an geordneten Elektroden umfassen. Auch liegt die Überwachung der fötalen Herzfrequenz mittels Schädelelektroden unter

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* ^Λ? ρ ε; - ₁₉ . ,„-

Verwendung einer einzelnen Filterkette fur den fötalen QRS-Komplex im Rahmen der Erfindung. Auch kann die Erfindung bei jedem EKG-Signal zur Erfassung der T-Zecken durch Eliminierung der QRS-Zacken oder selbst zur Erfassung der P-Zacken dienen, indem man aie QRS- und die T-Zacken nacheinander entfernt und somit drei Filterketten verwendet. Dies ist zum Beispiel besonders nützlich für die Synchronisierung von Röntgenaufnahmen in der Diastole bzw. der Systole. Die Erfindung ist auch anwendbar für die Überwachung anderer Arten von physiologischen Vorgängen, Schließlich ist auch im Rahmen der Erfindung das "Entfernen" der mütterlichen Signale auf andere als die gezeigte Weise möglich, z. B. durch Verfolgen der mütterlichen Signale und Verhinderung jeder Reaktion darauf durch den Spitzendetektor und den Komparator . Es sind auch andere hier nicht aufgezählte Ausführungsformen der Erfindung möglich.

Schließlich sei noch erwähnt, daß alle hier und in den Ansprügemachten Angaben über das 60 Hz-Rauschen gegebenenfalls in analoger Weise für das 5ü-Hz-Rauschen gelten.

BAD ORIGINAL

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Claims

8966-72A Sch/Ba

Patentansprüche

>J)/ überwachungseinrichtung für periodische komplexe physiologische Signale, die schwache und starke Signalanteile enthalten und durch äußere periodische Störsignale beeinträchtigt werden, mit einer einen Abnehmer für diese Signale als elektrische Signale enthaltenden Eingangsschaltung und mit einer Ausgangsschaltung, welche Ausgangssignale beim Auftreten der schwachen Signalanteile liefert, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der Eingangsschaltung und der Ausgangsschaltung eine Signalverarbeitungsschaltung mit folgenden Baueinheiten vorgesehen ist,

ein Bandfilter (3O,32;28), dessen Güte Q kleiner als 10 ist und daß Signale mit einem die maximale Energie der schwachen Signalanteile beinhaltenden Frequenzbereich durchläßt,

ein Kerbfilter (38;36) zum Entfernen netzfrequenter Störungen

und eine automatische Schwellwertschaltung (40,52,54), welcher die gefilterten Signalanteile zur Ausfilterung von Signalen unterhalb eines Schwellwertes zugeführt werden, der selbsttätig in Abhängigkeit von den zuvor zugeführten gefilterten schwachen Signalanteilen bestimmt wird, und zur Erzeugung einer der Ausgangsschaltung zugeführten Signalfolge, die den schwachen Signalanteilen entspricht.
2) Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Indikatorschaltung, welche Indikatorsignale entsprechend dem Auftreten der starken Signalanteile in der von der Signalverarbeitungsschaltung erzeugten, das Auftreten von starken und schwachen Signalen wiedergebenden Signalfolge erzeugt, und durch eine von den Indikatorsignalen gesteuerte Trennschaltung zur Entfernung zumindest der größeren Signalanteile entsprechend den starken Signalkomponenten aus der Impulsfolge noch vor der Schwellwertschaltung.

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-z-
3) Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Signalverarbeitungsweg vorgesehen ist, der eine das Auftreten der starken und schwachen Signaianteile wiedergebende Signalfolge erzeugt, daß ein zweiter Signalverarbeitungsweg vorgesehen ist, welcher die das Auftreten der starken Signalanteile wiedergebende Signalfolge erzeugt, derart, daß die Signale im zweiten Signalverarbeitungsweg in seitlicher Beziehung zu den im ersten Signalverarbeitungsweg auftrstanden starken Signalanteilen stehen, und daß die Indikatorschaltung in dem zweiten Signalverarbeitungsweg angeordnet ist»
4) Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ersetzungsschaltung für fehlende Signale zur Anzeige des Auftretens schwacher Signalanteile aufgrund eines Vergleichs mit dem zurückliegenden Auftreten schwacher Signalanteile.
5) Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltung eine Abschätzungsschaltung enthält, welche aufgrund des vergangenen Auftretens schwacher Signalanteile die Wahrscheinlichkeit abschätzt, daß ein vorliegendes Signal ein solches Auftreten wiedergibt, und die die Erzeugung eines das Auftraten schwacher Signalanteile anzeigenden Signals verhindert, wenn diese Wahrscheinlichkeit unter einem vorbestimmten Wert lisgt.
6) Einrichtung nach einem der -/erstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die automatische Schwellv7ertschaltung eine Bestimmungsschaltung für den Schwellwert in Abhängigkeit von dem unmittelbar zuvor auftretenden Signalanteil, jedoch unabhängig von den weiter zurückliegenden Signalen enthält.
7) Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die automatische Schwellwertschaltung einen Speicher, der den Spitzenwert des zugeführten Signales

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unter allmählichem zeitlichen Abfall speichert, sowie eine Vergleichsschaltung enthält, die an den Speicher angeschlossen ist und eine Anordnung enthält, welche das Ausgangssignal dann liefert, wenn ein zugeführtes Signal größer als ein vorbestimmter Prozentsatz des gerade gespeicherten abfallenden Wertes ist.
8) Einrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Prozentsatz bei 70 bis 90% liegt.
9) Einrichtung nach Anspruch ⁷, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher mit einer Anordnung versehen ist, welche verhindert, daß der gespeicherte Wert unter einen von dieser Anordnung bestimmten Wert abfällt.
10) Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die den Grenzwert bestimmende Anordnung eine Schaltung zur Überwachung der Vorgeschichte des der automatischen Schwellwertschaltung zugeführten Signals zur Veränderung des Grenzwertes in Abhängigkeit von dieser Vorgeschichte aufweist.
11) Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine einen ersten Signalverarbeitungsweg bildende Schaltung, in v/elchem die schwachen Signalanteile fest gestellt werden und längs dessen auch das Auftreten starker Signalanteile wiedergebende Signale übertragen werden, durch eine einen zweiten Signalverarbeitungsweg darstellende Schaltung zur übertragung dritter, daj Auftreten der starken Signalanteile wiedergebender Signale in zeitlicher Beziehung zu den im ersten Signalübertragungsweg auftretenden starken Signalanteilen, und durch eine Detektorschaltung für die dritten Signale, welche ein Ansprechen der automatischen Schwellwertschaltung auf die starken Signalanteile beim Feststellen des Auftretens der dritten Signale verhindert.

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12) Einrichtung nach Anspruch 3 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Elektroden vorgesehen sind, die sich jeweils in getrennten Positionen auf dem Mutterleib zur Optimierung der Aufnahme mütterlicher und fötaler komplexer QRS-Signale anbringen lassen und daß die die Signalverarbeitungswege bestimmende Schaltung getrennte Vorverstärker aufweist, die mit den Elektroden zur Verstärkung der mütterlichen und der fötalen Signale verbunden sind, und daß der erste und der zweite Signalverarbeitungsweg eingangsseitig voneinander getrennt sind.
13) Einrichtung nach Anspruch 3, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Signalverarbeitungsweg eine automatische Schwellwertschaltung für die starken Signalanteile enthält, welche sich entsprechend der Signalgröße einstellt und ein Ausgangssignal für die Schwellwertschaltung für die schwachen Signalanteile liefert, welches ein Auftreten der starken Signalanteile nur nach Zuführung eines Signals einer Größe angibt, die in einer vorbestimmten Beziehung zu der zuvor aufgetretenen Signalgröße steht.
14) Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltung eine Elektrode zur Aufnahme elektrischer Signale entsprechend den fötalen komplexen QRS-Signalen, sowie einen Vorverstärker für die von der Elektrode zugeführten Signale aufweist, und daß das Bandfilter derart ausgebildet ist, daß in seinem Ausgangssignal mindestens 25% der Signalenergie im Bereich von 50 bis 100 Hz liegt, mit Ausnahme netzfrequenter Störungen, und daß die Mittenfrequenz des Bandfilters im Bereich von 25 bis 40 Hz liegt.
15) Einrichtung nach Anspruch 3, 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die den zweiten Signalweg bildende Schal tung eine Eingangsschaltung für mütterliche komplexe QRS-Signale, ein Kerbfilter zur Entfernung netzfrequenter Störun-

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gen und ein Bandfilter, dessen Güte Q kleiner als 10 ist und dessen Mittenfrequenz zwischen 15 und 25 Hz liegt, aufweist.
16) Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die starken Signalanteile mütterliche Herzschläge und die schwachen Signalanteile fötale Herzschläge sind, wobei die starken Signalanteile teilweise auch fötale Herzschläge darstellen, wenn diese gleichzeitig mit den mütterlichen Herzschlägen auftreten.
17) Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Verwendung für die überwachung der fötalen Herzschlagfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Elektroden vorgesehen sind, die sich auf dem Mutterleib in jeweils getrennten Positionen zur Optimierung der Aufnahme der mütterlichen und fötalen komplexen QRS-Signale anbringen lassen, und daß getrennte Vorverstärkerstufen jeweils zur Zuführung und Verstärkung der mütterlichen und fötalen Signale vorgesehen sind.
18) Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorherbestimmungsschaltung, welche von der Ausgangsschaltung angesteuert wird und das Auftreten schwacher Signalanteile aufgrund des vorhergehenden Auftretens solcher Signale vorherbestimmt, und daß die Ausgangsschaltung die Ausgangssignale aufgrund der schwachen Signalanteile lie fert, wenn diese innerhalb eines vorbestimmten Bereiches inner halb ihres vorausbestimmten Auftretens erscheinen, andernfalls jedoch die Ausgangssignale aufgrund ihres vorherbestimmten Auf tretens erzeugen, und daß die Vorherbestimmungsschaltung die Vorherbestimmung mindestens teilweise aufgrund ausgewählter früherer Vorherbestimmungen durchführt, aufgrund deren das Auegangssignal erzeugt worden ist.

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