DE2348241A1

DE2348241A1 - Einrichtung zum untersuchen der elektrischen aktivitaet des menschlichen herzens

Info

Publication number: DE2348241A1
Application number: DE19732348241
Authority: DE
Inventors: Peter John Bourdillon; Richard Feyer; Roberto Antonio Lucio Guardo; Donald Martin Monro
Original assignee: MONRO
Current assignee: MONRO
Priority date: 1972-09-25
Filing date: 1973-09-25
Publication date: 1974-04-04
Also published as: NL7313222A; FR2208636A1

Description

Einrichtung zum Untersuchen der elektrischen Aktivität des menschlichen Herzens.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Untersuchen der elektrischen Aktivität des menschlichen Herzens. Mit der Einrichtung kann ein Äquipotentialdiagramm des Thorax in einem vorgegebenen Zeitpunkt des Herzzyklus hergestellt oder, einfacher, eine Anzeige erhalten werden, wo bestimmte Kombinationen von gemessenen Potentialen bezüglich vorgegebener Sicherheitsgrenzen, also bezüglich eines zulässigen Bereiches, liegen.

Es ist bekannt, zur Diagnose von Herζerkrankungen eine Äquipotentialkarte der in einem vorgegebenen Zeitpunkt des Herzzyklus am Rücken und der Brust eines Patienten auftretenden Potentiale aufzuzeichnen. Dieses Verfahren ist ursprünglich von B. Taccardi in einer Veröffentlichung in der Zeitschrift "Circulation Research" Band 12, S. 341-352, 1963 angegeben worden. Um genügend Information für die Herstellung brauchbarer Diagramme zu erhalten, war es bisher jedoch erforderlich, zwischen 100 und 200 Elektrokardiogramme von der Oberfläche der Brust und des Rückens aufzuzeichnen. Die erforderliche Anzahl von Elektrokardiogrammen wurde bisher nach zwei Verfahren gewonnen: Das erste besteht darin, 100 oder mehr Elektrokardiogramme gleichzeitig aufzuzeichnen während bei der zweiten Methode

' 4 0 9 8 1 L I Π 9 9 2

von 100 oder mehr Stellen nacheinander Elektrokardiogramme abgenommen wurden.

Beide Methoden sind mühselig und erfordern einen großen Zeitaufwand für das Anbringen der Elektroden am Thorax des Patienten. Die erste Methode hat ferner den Nachteil eines hohen apparativen Aufwandes da, u.a. ein teuerer EKG-Verstärker für jede Elektrode benötigt wird und da es erhebliche Probleme mit sich bringt, die 100 oder mehr Meßwerte im Multiplexverfahren zu verarbeiten. Die zweite Methode hat den Nachteil, .daß für einwandfreie Ergebnisse eine große Anzahl praktisch identischer Herzschläge oder Herzzyklen benötigt wird.

Außer als Basis für die Herstellung einer Äquipotentialkarte des Thorax zu dienen, können die 100 oder mehr Elektrokardiogramme auch durch ein anderes Verfahren ausgewertet werden, das sogenannte "Dipolzahlen" bezüglich bestimmter Bereiche des Herzens liefert. Wie in einer Veröffentlichung von Holt J.H. jr., Barnard A.C.L. usw. in der Zeitschrift "Circulation" Band 40, S. 687-696, 1969 beschrieben ist, geben diese Dipolzahlen die Aktivität der verschiedenen Flächen an und wenn man einmal die Bereiche der Dipolzahlen für gesunde Personen ermittelt hat, kann man feststellen, ob eine bestimmte Stelle des Herzens der untersuchten Person außergewöhnlich unter- oder überaktiv ist. Die Diagnose aufgrund der Dipolzahlen hat sich jedoch bisher wegen der mühseligen Gewinnung der erforderlichen Information nicht im größeren Umfange durchsetzen können. Die Kliniken, die die Möglichkeit haben, 100 oder mehr Messingen am Thorax durchzuführen haben nämlich im allgemeinen auch Datenverarbeitungsanlagen zur Herstellung von Äquipotentialkarten, so daß für sie das weniger eingehende Dipolzahlverfahren ohne Interesse ist.

Bei dem von B. Taccardi angegebenen Verfahren muß eine große Anzahl von Elektroden verwendet werden, um die für die Herstellung von Äquipotentialkarten erforderliche Anzahl von Meßwerten zu erzeugen. Die mit der großen Anzahl von Elektroden gewonnene Nutzinformation eines solchen Diagramms ist jedoch

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in einer nur kleinen Anzahl von Hügeln und Tälern (Maxima und Minima) in der Karte enthalten. Analog zur Abtastung und Rekonstruktion von eindimensionalen Schwingungen im Zeitraum (wo lediglich eine Abtastung■mit einer Frequenz, die gleich dem Doppelten der höchsten Frequenz ist, die noch erfaßt werden soll), sollte es jedoch möglich sein, eine zweidimensionale Potentialverteilung dadurch zu rekonstruieren, daß man die interessierende zweidimensionale Fläche nur zweimal zwischen den am nächsten benachbarten Tälern oder Minima, die zu erwarten sind, abtastet. Wenn eine Rekonstruktion möglich ist, zeigt es sich, daß 24 Abtaststellen in einer 8x3 oder 4x6 Matrix ausreichen, vorausgesetzt, daß das von den jeweiligen Stellen abgenommene Nutzsignal nicht zu stark von Störungen überlagert ist. Man kann brauchbare Resultate mit nur 20 Elektroden erhalten und die nächste Zahl nach 24, die sich für die Rechnungen am besten eignet, ist 56.

Es ist also möglich, die Abtastung mit Elektroden an relativ wenig, nämlich 24, Stellen durchzuführen, vorausgesetzt, daß a) die Qualität der Elektrodensignale verbessert wird, was wegen der stark verringerten Redundanz erforderlich ist, und daß b) es möglich ist, die Oberflächenpotentialverteilung mit genügender Genauigkeit zu rekonstruieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung anzugeben, die den obigen Bedingungen a) und b) genügt und einfache Messungen der Herzaktivität durchzuführen gestattet. Wenn die Bedingung a) erfüllt ist und Signale ausreichender Qualität zur Verfügung stehen, können durch eine einfache analog arbeitende Einrichtung für jeden Herzzyklus automatisch Dipolzahlwerte gewonnen werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

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Die erfindungsgemäße Einrichtung zum Untersuchen der elektrischen Aktivität des menschlichen Herzens enthält also eine erste Anordnung, die elektrische Signale liefert, welche die Potentiale von 20 bis 60 Meßelektroden darstellen, die in einer Anordnung mit im wesentlichen gleichen gegenseitigen Abständen um den Thorax angeordnet werden können. Die Anordnung soll mindestens drei gürtelartig in Umfangsrichtung verlaufende Reihen enthalten. Die durch diese erste Anordnung erzeugten Signale werden einer zweiten Anordnung zugeführt, die diese Signale in der vorgegebenen Welse kombiniert und Ausgangssignale liefert, die die elektrische Aktivität des Herzens angeben und einer Anzeigevorrichtung zugeführt werden, die eine Anzeige der elektrischen Aktivität des Herzens liefert.

Die erste Anordnung enthält vorzugsweise einen Harnisch oder ein Geschirr, das um den Thorax gelegt werden kann. An dem Geschirr sind die 20 bis 60 Meßelektroden und zugehörige Vorverstärker so angebracht, daß die Meßelektroden eine Anordnung mit im wesentlichen gleichen Abständen bilden, die drei gürtelartige Reihen bilden, wenn das Geschirr um den Thorax gelegt ist. Ferner ist die erste Anordnung mit einer übertragungsvorrichtung verbunden, die die Ausgänge der Vorverstärker mit einer Kopplungseinrichtung verbindet, so daß die Ausgangssignale der Vorverstärker der zweiten Anordnung der Einrichtung zugeführt werden können.

Die zweite Anordnung enthält zum Beispiel mindestens einen Summierverstärker, der so ausgebildet ist, daß er ein gewichtetes Summensignal entsprechend der Summe der gewichteten Eingangssignale von jeder der vielen Meßelektroden liefert, ferner einen Gleichrichter, über den das gewichtete Summensignal dem Eingang eines Integrators zugeführt wird, dessen Ausgangssignal nach einer gewissen Zeitspanne ein Maß für die Aktivität eines Bereiches des Herzens darstellt, welcher (für eine bestimmte Lage der Meßelektroden) durch die Wichtung der dem Verstärker zugeführten Eingangssignale bestimmt wird. Die mit dieser zweiten Anordnung verbundene Anzeigevorrichtung zeigt an, wo das Aus-

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gangssignal des Integrators bezüglich vorgegebener Ausgangsschwel lwer te liegt.

Die zweite Anordnung kann andererseits auch einen Umsetzer zur Darstellung von Proben der elektrischen Signale von den Meßelektroden in digitaler Form enthalten, ferner eine digitale Einrichtung zum Erzeugen einer ersten Matrix von Werten, die die Proben in einer Anordnung entsprechend der Anordnung der Meßelektroden darstellt, zum Erzeugen einer zweiten Matrix aus Werten, die die zweidimensionale Fouriertransformation der ersten Matrix ist, zum Erweitern der zweiten Matrix in eine größere dritte Matrix durch Aufteilen der zweiten Matrix in Quadranten, Anordnung der Quadranten in entsprechenden Ecken der dritten Matrix und Ausfüllen der dazwischenliegenden Plätze der dritten Matrix mit Nullen, und schließlich zum Transformieren der dritten Matrix in eine vierte Matrix durch die inverse zweidimensionale Fouriertransformation, so daß die vierte Matrix mindestens einem Teil der ersten Matrix entspricht jedoch mehr Werte, die die elektrische Aktivität des Herzens darstellen, enthält; die Anzeigevorrichtung liefert in diesem Falle eine Karte oder ein Diagramm der Stellen gleicher Werte der vierten Matrix.

Die zweidimensionale Fouriertransformation läßt sich nur auf eine Matrix anwenden, die eine geschlossene Fläche darstellt, so daß unter Umständen in der ersten Matrix Werte wiederholt werden müssen, damit diese eine geschlossene Fläche darstellt.

Die zweite Matrix wird derart in Quadranten unterteilt, daß sich auf der einen Seite einer parallel zu den Spalten verlaufenden Trennungslinie eine Spalte mehr als auf der anderen Seite befindet und sich auf der einen Seite einer parallel zu den Zeilen verlaufenden Trennungslinie eine Zeile mehr befindet als auf der anderen; die größeren Quadranten enthalten Fourierkoeffizienten, die Gleichgewichtszuständen oder gleichen Bedingungen entsprechen. Im Falle einer geradzahligen Anzahl von Zeilen oder Spalten werden die Werte der Fourierkoeffizienten der Zeile oder Spalte auf der Trennungslinie durch zwei geteilt

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und gleich auf die benachbarten Quadranten aufgeteilt.

Im folgenden werden nun Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Anordnung von Elektroden auf dem Thorax eines Menschens;

Fig. 2 ein Schaltbild eines Elektroden- oder Vorverstärkers;

Fig. 3 ein Schaltbild einer Stromversorgung für einen Elektrodenverstärker und einer Elektrode gemäß Fig. 2;

Fig. 4 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur Durchführung einer Dipolzahl-Messung;

Fig. 5 eine graphische Darstellung zur Erläuterung eines Interpolationsverfahrens und

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Herstellung einer Äquipotentialkarte des Thorax.

Die auszuwertenden elektrischen Potentiale werden durch Elektroden abgegriffen, die auf einem menschlichen Thorax an Stellen angebracht sind, wie sie die Darstellungen der Vorderseite und Rückseite des Oberkörpers eines Patienten in Fig. 1 zeigen. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden in drei Zeilen und acht Spalten an Stellen angeordnet, die durch zwei durch ein Komma getrennten Zahlen bezeichnet sind, von denen die erste die Zeilennummer und die zweite die Spaltennummer angibt. In der Praxis ist es zweckmäßig, die Elektroden mittels einer Art von Harnisch oder Geschirr an den vorgesehenen Stellen zu halten und in Fig. 1 ist z.B. dargestellt, daß die Elektroden der verschiedenen Zeilen jeweils durch gestrichelt dargestellte, gürtelartige Gurte gehaltert sind. Selbstverständlich kann man auch andere Arten von Elektrodenhalt*rungen oder Elektrodengeschirren verwenden. Direkt über der Wirbelsäule oder dem Brustbein werden keine Elektroden angebracht, da Elektroden, die über Weichgewebe angeordnet sind, ein besseres Signal liefern, als Elektroden, die über einem knochigen Teil des Körpers sitzen.

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Es ist jedoch wichtig, daß die Elektroden gleich beabstandet sind, um die Auswertung der abgenommenen Signale zu erleichtern.

Außer den am Thorax angebrachten Elektroden können auch in üblicher Weise an den Gliedmaßen Elektroden angebracht werden. Diese "Gliederelektroden" können dazu dienen, Potentiale entsprechend den Potentialen am oberen und unteren Ende des Thoraxes zu gewinnen. Mit einer Gliedelektrode kann man ferner ein gemeinsames Bezugspotential für den Patienten und die mit den Elektroden verbundenen Verstärker gewinnen.

An jeder Elektrode (1,1 usw.) ist ein Vorverstärker angebracht. Ein solcher Vorverstärker kann z.B., wie Fig. 2 zeigt, einen npn-Eingangstransistor 41eines Typs mit hoher Stromverstärkung bei niedrigem Kollektorstrom enthalten (typisches h_f = 80 oder mehr bei 10 ,uA Kollektorstrom). Die Basis des Transistors

41 ist mit dazugehöriger Elektrode 40 verbunden während der Kollektor an die Basis eines pnp-Ausgangstransistors 42 angeschlossen ist. Die Eigenschaften des Ausgangstransistors 42 sind nicht so kritisch wie die des Eingangstransistors 41, er sollte jedoch eine Stromverstärkung h_f von mindestens 150 bei 1 mA haben, um den Kollektorstrom von 10/UA des Eingangstransistors nicht herabzusetzen. Der Emitter des Ausgangstransistors

42 ist mit einer positiven Versorgungsleitung 45 verbunden, während sein Kollektor über Gegenkopplungswiderstände 43 und mit einer negativen Versorgungsleitung 46 verbunden ist. Der Emitter des Eingangstransistors 41 ist mit der Verbindung zwischen den Gegenkopplungswiderständen 43 und 44 verbunden und das Ausgangssignal des Vorverstärkers wird zwischen dem Kollektor des Ausgangstransistors 42 und einer der Versorgungsleitungen abgenommen.

Die Spannungsverstärkung des Vorverstärkers wird durch das Verhältnis der Widerstände 43 und 44 bestimmt und sollte um nicht mehr als +1% von einem vorgegebenen Sollwert abweichen. Ein praktisch bewährtes Ausführungsbeispiel eines solchen Vorverstärkers hatte einen Verstärkungsgrad von 10,8, wesentlich ist jedoch in erster Linie, daß die Vorverstärker aller Elektroden

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den gleichen Verstärkungsgrad haben.

Wenn der Widerstand 43 einen Wert von etwa 10 kfi und der Widerstand 44 einen Wert von etwa 1 kfi hat, ist die Eingangsimpedanz Z^ des Verstärkers größer als 8 ΜΩ, während die Ausgangs impedanz unter 600 Ω liegt. Die Vorverstärker haben hauptsächlich den Zweck, die hohe Eingangsimpedanz einer am Thorax angebrachten Elektrode auf eine so niedrige Ausgangsimpedanz herabzutransformieren, daß ein Kabel gespeist werden kann. Auf diese Weise wird die Anfälligkeit gegen eingestreute Störungen erheblich verringert. Es läßt sich zeigen, daß die Verbesserung des Verhältnisses von Nutzsignal zu Rauschen am Ausgangsende des Kabels proportional zur Leistungsverstärkung des Vorverstärkers ist. Dadurch, daß man verhältnismäßig billige Vorverstärker am Ort der Signalgewinnung anordnet, braucht man also am Ausgangsende des Kabels keine konventionellen EKG-Verstärker, die relativ teuer sind, zu verwenden.

Gibt man der negativen Versorgungsleitung 46 im Betrieb eine Vorspannung von z.B. -0,7 V bezüglich des Thorax und übersteigt die Amplitude der Signalspannung 1OO mV nicht, so wird der Eingangstransistor 41 in Flußrichtung vorgespannt und die Elektrode 40 (Fig. 2) wird dadurch aktiv. Der infolge dieser Vorspannung durch den Thorax fließende Basisstrom I, ist dann im signallosen Zustand in der Größenordnung von 20 nA, da I, = (0,7 - V, )/Z., wobei V, der Basis/Emitter-Spannungsabfall des Eingangstransistors 41 ist..Selbst wenn Im Betrieb 24 Elektroden verwendet werden, liegt der infolge der Vorspannung durch den Patienten fließende Strom unter 0,5,uA, er ist also 10 000 mal kleiner als die WahrnehmungsschweHe, die bei Untersuchungen hinsichtlich der Sicherheit von elektromedizinischen Geräten ermittelt wurde.

Eine Stromversorgung, die sich sowohl zur Vorspannung des Patienten als auch zur Speisung aller Vorverstärker- eignet, ist in Fig. 3 dargestellt. Sie enthält eine Verstärkerschaltung ähnlich der bereits beschriebenen, um eine Vorspannung zwischen einer positiven und einer negativen Leitung zu erzeugen, die ir.it

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einer kleinen Trockenzellenbatterie 50 verbunden sind. Der Vorteil der Verwendung einer kleinen Batterie in der Stromversorgung für die Elektrodenverstärker besteht darin, daß auch bei Fehlschaltungen keine Gefahr für den Patienten besteht.

Der Batterie 50 ist ein Spannungsteiler parallelgeschaltet, der einen veränderbaren Widerstand 59 und zwei in Flußrichtung vorgespannte Dioden 58 enthält. Mit der Verbindung zwischen dem veränderbaren Widerstand 59 und den in Reihe geschalteten Dioden 58 ist die Basis eines Eingangstransistors 51 verbunden. Die Ausgangsspannung wird vom Emitter des Eingangstransistors 51 abgenommen und dieser wird über einen Ausgangstränsistor 52 mit Strom versorgt. Der Verstärkungsgrad wird durch Gegenkopplungswiderstände 53 und 54 (die einen Wert von 1 kfi haben können) auf Eins festgelegt. Der Widerstand 54 ist zur Glättung der Ausgangsspannung durch einen Kondensator 60 Ctypischerweise 0,22 AiF) überbrückt. Zwischen den Emitter und den Kollektor des Eingangstransistors 51 ist ein ebenfalls zur Glättung der Ausgangsspannung dienender Kondensator 61 (typischer Wert 100 pF) geschaltet. Die positive Versorgungsleitung 45 (Fig. 2) der Elektrodenverstärker sind mit einer Ausgangsklemme 55 verbunden, die negative Versorgungsleitung 46 ist an eine Ausgangsklemme 56 angeschlossen und eine mit dem Emitter des Eingangstransistors 51 verbundene dritte Ausgangsklemme 57 liefert ein gemeinsames Bezugspotential zwischen dem Patienten und den Vorverstärkern. Der veränderbare Widerstand 59 kann einen Festwiderstand von 1 kfl in Reihe mit einem verstellbaren Widerstand von 4,7 kß enthalten und dient zur Einstellung des Potentials an der Ausgangsklemme 57.

Bei Verwendung für die Erzeugung von Dipolzahlen werden die analogen Ausgangssignale der Elektroden-Vorverstärker einem Rechengerät zugeführt, wie es beispielsweise in Fig. 4 dargestellt ist. Die Ausgänge der verschiedenen Kabel, insbesondere Koaxialkabel, von den Elektroden-Vorverstärkern sind jeweils über ein zur Entkopplung dienendes RC-Glied 77 mit einem Trennverstärker 76 verbunden, um den Patienten gegen die Energie-

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Versorgung des Rechengerätes zu isolieren. Die Zeitkonstante der RC-Glieder 77 kann größer als üblich sein, da die Elektroden-Vorverstärker ein besseres Signal liefern als es bisher verfügbar war. Die Ausgänge der 24 Trennverstärker sind dann jeweils über einen Wichtungswiderstand 70 jeweils mit den Eingängen von zwölf Summierverstärkern 71 verbunden. Die verschiedenen Summenausgangssignale werden jeweils durch eine Gleichrichterschaltung gleichgerichtet, bei der es sich um eine Halbweg- oder Vollweg-Gleichrichter schaltung handeln kann, und durch einen Integrator 73 integriert. Eine geeignete Dauer für die Integration ist die Dauer eines Herzzyklus und die Integratoren 73 können durch einen Synchronisierimpuls rückstellbar sein, der von den Herzschlägen des Patienten durch eine nicht dargestellte Schaltungsanordnung abgeleitet wird, die mit den Trennverstärkern gekoppelt ist. Das Ausgangssignal jedes Integrators 73 wird zwei Schwellwertstufen zugeführt, und zwar einer Maximalwert-Stufe 74 und einer Minimalwert-Stufe 75. Diese Schwellwertstufen liefern jeweils ein der Überschreitung und ein der Unterschreitung des betreffenden Schwellwerts entsprechendes binäres Ausgangssignal und ihre entsprechenden Ausgänge sind so geschaltet, daß ein den Schwellwert der Maximalwert-Stufe überschreitendes Signal als "Überaktivität" , ein zwischen den Schwellwerten liegendes Signal als "Normal" und ein unterhalb des unteren Schwellwertes liegendes Signal als "Unteraktivität" angezeigt werden.

Der Grad der Gleichrichtung, die Integrationsperiode und die Höhe der Schwellwerte hängen selbstverständlich voneinander ab und müssen auf die Signalamplituden an den verschiedenen Punkten der Übertragungsstrecke zwischen dem Summierverstärker 71 und der Anzeigevorrichtung abgestimmt werden. Die Werte der Wichtungswiderstände 70 sind für die verschiedenen Summierverstärker 71 verschieden und bestimmen den Dipol, auf den sich die betreffende Aktivitätsanzeige (hoch/normal/niedrig) bezieht. Die Widerstandswerte werden nach der von Holt und Mitarbeiter angegebenen Methode (I.e.) bestimmt.

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Aus den durch die 24 Elektroden gewonnenen Signalen kann man durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten eine iiquipotentialdarstellung gewinnen:

1. Es wird eine Matrix aus den Werten der Signale an einem vorgegebenen Punkt des Herzzyklus gebildet.

2. Die Matrix wird gegebenenfalls so umgeformt, daß sie eine geschlossene Fläche darstellt.

3. Die eine geschlossene Fläche darstellende Matrix wird einer zweidimensionalen Fouriertransformation unterworfen.

4. Die transformierte Matrix wird durch ein Verfahren erweitert, das unten noch eingehender erläutert wird und in der Hauptsache darin besteht, die zusätzlichen Stellen mit Nullen zu besetzen.

5. Es wird die umgekehrte zweidimensionale Fouriertransformation durchgeführt um eine eine geschlossene Fläche darstellende Matrix zu erzeugen, die größer (d.h. detailreicher) ist als die erste Matrix, die eine geschlossene Fläche darstellte.

6. Die mehr Einzelheiten enthaltende Darstellung der interessierenden Teile der einer geschlossenen Fläche entsprechenden Matrix werden dargestellt.

Offensichtlich können diese Verfahrensschritte mit jedem Satz von Proben, die von einer Oberfläche abgenommen wurden, durchgeführt werden und ist die Rekonstruktion durch das Verfahren exakt auch bei Variationen über die Oberfläche deren Rate die Hälfte der Rate nicht übersteigt, mit der die Proben abgenommen werden. Innerhalb dieser Grenzen kann man "Kontur"-Linien mit beliebig engen Abständen gewinnen. Die einzige weitere Bedingung besteht darin, daß die Proben gleichmäßig beabstandet sein sollen; kleinere Abweichungen vom einheitlichen Sollabstand haben jedoch nur eine Verzerrung des Flächendiagramms und nicht eine Änderung seines Typs zur Folge.

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Die analogen Ausgangssignale der Elektroden-Vorverstärker werden zur Umwandlung in eine digitale Form im Zeitmultiplexverfahren einem Analog/Digital-ümsetzer zugeführt. Einrichtungen dieser Art sind allgemein bekannt, es genügt hier zu erwähnen, daß jede Elektrode von der Stromversorgung der Multiplexeinrichtung durch ein RC-Filter der in Fig. 4 dargestellten Art isoliert ist und daß man üblicherweise 24 analoge Eingangssignale in Probenmuster oder Binärzahlen von 8 Bits mit einer Frequenz von 8 kHz umsetzt. Ein Analog/Digital-Umsetzer kann also leicht die digitale Information über den Zustand der Elektroden in 8000 verschiedenen Zeitpunkten eines Herzzyklus liefern.

Zur Verringerung der Störempfindlichkeit der Einrichtung kann man eine Anzahl von aufeinanderfolgenden Proben jeder Elektrode einer digitalen Filterung zur Erzeugung eines beweglichen Mittelwertes (moving average digital filter) anwenden. Typische Profile sind dreieckig oder glockenförmig, diese Operation läßt sich jedoch ganz allgemein durch die folgende Gleichung ausdrücken:

^ek^(tl)"^a-p^ek^(t-P^)+a-p+l^ek^(t"P⁺¹⁾⁺ ··'

^+ao^ek^(t)+al^ek^(t+1)+ ·** ^+aq^ek^(t+q) '

Dabei bedeuten: e,(t') das Potential, das an der Stelle k im

Zeitpunkt t¹ abgegriffen wurde; ρ und q willkürlich wählbare positive ganze

Zahlen und

a ein Koeffizient, der von der Form des verwendeten Profils abhängt. Es ist möglich, daß a_Q der einzige von Null verschiedene Koeffizient ist.

Die Multiplextechnik erlaubt ohne weiteres die Abtastung jeder Elektrode mit einer Frequenz von 8 kHz, in der Praxis hat sich jedoch eine Abtastfrequenz von 500 Hz unter Verwendung von 12 Bits pro Probe als ausreichend erwiesen.

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Die Potentiale e_k(t') werden dann wie folgt in einer Matrix E angeordnet:

02

28

Die Zeile e__v stellt eine Elektrode oben am Thorax dar und kann als Funktion der anderen Elektroden oder von den Gliedelektroden gewonnen oder einfach willkürlich bestimmt werden.

Analog stellt die Zeile e- eine Elektrode unten am Thorax dar und ihr Wert kann in entsprechender Weise bestimmt werden. Die Werte in jeder dieser beiden Zeilen sind normalerweise gleich, da diese Zeilen jeweils nur einer einzigen Elektrode entsprechen.

In der Matrix E schließen sich die Zeilen in sich selbst (d.h. sie sind zyklisch und z.B. liegt e,g neben e,.) während sich die Spalten nicht in sich selbst schließen. Um eine zweidimensionale Fouriertransformation durchführen zu können, müssen sich jedoch sowohl die Zeilen als auch die Spalten schließen und man bildet daher eine Matrix A, die einen an der Taille geschlossenen Patienten darstellt, wie folgt;

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A =

*01 ^e02 ■ '

• θ

08

'15

^e36 ^e37 °3

i8

^e32 ^e33

Wenn es 2m Spalten gibt, wird ein Punkt in der unteren Hälfte einer Spalte von einer um m entfernten Spalte genommen. Dieses Verfahren kann für das Schließen von Flächen in beiden Richtungen und für eine ungerade Anzahl von Zeilen oder Spalten verallgemeinert werden.

Die diskrete Fouriertransformation in zwei Dimensionen von A wird dann ermittelt, um eine Matrix F aus komplexen Zahlen wie folgt zu erzeugen:

ίί-1

f = -igr KN

k=0

-327T

{k

k.g
i

Die Matrix A hat hier M Spalten, N Reihen und die Terme a, .

Die Matrix F stellt die Fourierkoeffizienten der durch die Matrix A dargestellten geschlossenen Fläche dar. Die Matrix F wird nun zu einer größeren (komplexen) Matrix Y erweitert. F ist eine Matrix mit 8x8 Termen wie die Matrix A, wohingegen 64 χ 64 eine brauchbare Größe für die Matrix Y darstellt. Die Erweiterung erfolgt dadurch, daß man die vier Quadranten der

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Matrix F in die Ecken der Matrix Y einsetzt und den Rest der Matrix Y mit Nullen auffüllt. Die Werte an den Rändern der Quadranten werden in der unten angegebenen Weise gleichmäßig verteilt. Man erhält dadurch eine Matrix Y, die die Fouriertrans format ion einer Fläche ist, die sich um nicht mehr als die Hälfte des Probenabstands ändert aber scheinbar von vielmehr Proben gewonnen wurde.

Für eine Matrix F mit M Spalten und N Zeilen und eine Matrix Y mit M¹ Spalten und N¹ Zeilen wird die Erweiterung wie folgt ausgeführt:

^ygr ^{= f}gr ^för

^yN«~N + g, r ^{= f}gr

gr

und

^und

JS-I

^fgr ^für

.', N und r = %\ ■;- 2_t ..., M

^{för r =}

-Jäi+1, M« - M+r

i+1, M» - M+r

^för

^yN«-N+g_t M»->S-i+1 ^{= y}N'-K+g, 3*1

i Μ·-ίίΜ

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SAD ORiGfNAL

In Fig. 5 ist diese Erweiterung graphisch dargestellt:

Ein erster Quadrant F. der Matrix F wird in die linke obere Ecke der Matrix Y eingesetzt, ein zweiter Quadrant F₂ in die rechte obere Ecke usw., wie dargestellt. Bei gerader Anzahl von Zeilen oder Spalten verläuft die Trennlinie zwischen den Quadranten nicht zwischen zwei Zeilen oder Spalten sondern durch eine Zeile bzw. Spalte. Dies rührt daher, daß die erste Zeile und die erste Spalte der Fourierkoeffizienten die Vorspannung eines Nennpotentials am Thorax darstellen, die willkürlich gewählt werden kann, ohne daß dabei Information über die Potentialänderungen verlorengeht. Eine Zeile oder Spalte, durch die eine Trennlinie verläuft, wird gleichmäßig auf die betreffenden Quadranten, die sich in diese Zeile bzw. Spalte teilen, aufgeteilt. Wenn die Matrix F eine ungerade Anzahl von Zeilen oder Spalten enthält, sind die in die Ecken der Matrix Y eingesetzten Quadranten identisch mit den Quadranten der Matrix F.

Die erweiterte Matrix Y wird dann in eine Matrix A¹ umgewandelt (die der Matrix A äquivalent ist, jedoch viel interpolierte Punkte enthält), in dem die entsprechende inverse Fouriertransformation wie folgt durchgeführt wird:

fur k = 0 H'-1

JU 1 M'

Die redundanten unteren Teile der Matrix A¹ brauchen nicht errechnet zu werden, da eine-graphische Darstellung aus der nutzbaren oberen Hälfte gewonnen werden kann. .

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-'■17 -

Eine Einrichtung zur Durchführung dieser Operationen in einem für klinische Zwecke geeigneten Maßstab braucht keine grofle Allzweck-Datenverarbeitungsanlage enthalten, da kleine Speziairechner für die Durchführung von Fouriertransformatoren ebenso zur Verfugung stehen wie Speziairechner für die Steuerung von Anzeigevorrichtungen. Die graphische Anzeige oder Ergebnisausgabe kann in jeder gewünschten Form erfolgen, z.B. auf Mikrofilm, mittels einer Kathodenstrahlröhre, mittels eines Blatt- oder Koordinatenschreibers u.a.m.

In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Herstellung von Äquipotentialkarten dargestellt. Die Einrichtung enthält ein Elektrodengeschirr 100 mit Vorverstärkern, die mit einer Stromversorgung 101 verbunden sind, an welche außerdem eine Vorspannüngselektrode 102 angeschlossen ist, die vom Patienten in die Hand genommen wird. Die Ausgänge der Verstärker sind über 24 Koaxialkabel 1O3 mit entsprechenden Trenn-RC-Gliedern 104 verbunden. Die Ausgangssignale dieser RC-Glieder werden durch eine Zeitmultiplexeinrichtung 105 abgetastet und zeitlich ineinander verschachtelt. Das Ausgangssignal der Zeitmultiplexeinrichtung wird dann durch einen Analog/Digital-Umsetzer 106 in Digitalwerte umgesetzt. Das digitale Ausgangssignal des Umsetzers 106 kann auf irgendeine bekannte Weise in einer Speichereinrichtung 107 gespeichert oder gleich einer Fourier-Transformations-Vorrichtung 108 zugeführt werden. An die Vorrichtung 108 ist eine Steuervorrichtung 1O9 für eine Anzeigevorrichtung 110 angeschlossen, die die gewonnene Information in graphischer Form darstellt und ausgibt. In Fig. 6 ist in dieser Hinsicht eine typische Äquipotentialkarte 111 dargestellt, unterhalb derer ein gewöhnliches Kardiogramm 112 wiedergegeben wird, das eine Zeitmarke 113 enthält, welche den Punkt des Herzzyklus angibt, für den die Äquipotentialkarte gilt.

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Claims

Patentansprüche

Einrichtung zum Untersuchen der elektrischen Aktivität des menschlichen Herzens, gekennzeichnet durch eine Signalerzeugungsanordnung (Fig. 2; Fig. 3; 100, 1Ol, 1O2 in Fig. 6), die Signale liefert, welche die Potentiale von zwanzig bis sechzig Meßelektroden (1,1...; 40) darstellen, die in einer mindestens drei gürtelartig verlaufende Zeilen enthaltenden Anordnung mit im wesentlichen gleichen gegenseitigen Abständen um den Thorax eines Patienten verteilt an diesem anbringbar sind; eine Korabinatlonsvorrlchtung (Fig. 4; 1O4 bis in Fig. 6), die die Signale von der Signalerzeugungsanordnung in vorgegebener Weise kombiniert und Ausgangssignale liefert, die die elektrische Aktivität des Herzens wiedergeben; und eine durch diese Ausgangssignale gesteuerte Anzeigevorrichtung (110, Fig. 6), die eine Darstellung der Aktivität des Herzens liefert.
2.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Signalerzeugungsanordnung ein um den Thorax eines Patienten legbares Geschirr (100) enthält, an dem die zwanzig bis sechzig Meßelektroden (40) und entsprechende Vorverstärker (Fig. 2) so angeordnet sind, daß die Meßelektroden bei um den Thorax gelegtem Geschirr eine Anordnung mit wenigstens annähernd gleichen gegenseitigen Abständen bilden, die mindestens drei gürtelartig verlaufende Zeilen (1,1...1,8; 2,1...2,8; 3,1...3,8) enthält, und daß die Ausgänge der Vorverstärker über eine übertragungsvorrichtung (103) mit einer Kopplungsanordnung (76, 77; 104) verbunden sind, durch die die Ausgangssignale der Verstärker der Kombinationsvorrichtung (70 bis 74; 105 bis 1O8J zugeführt sind.
3.) Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalerzeugungsanordnung eine Stromversorgung (Fig. 3; 101 in Fig. 6) enthält, die mit den Vorverstärkern (Fig. 2) und einer Bezugselektrode (102) zum Anlegen eines Bezugspofcentials an den Körper des Patienten

/ΠΟΟ1 / / Π O *"» **

verbunden ist.
4.) Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Stromversorgung durch eine Batterie derartig kleinen Stromabgabevermögens gespeist ist, daß bei Fehlschaltungen keine Gefahr von Schäden durch elektrischen Strom besteht.
5.) Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Signalerzeugungsanordnung mit einer Isolier- oder Entkopplungsanordnung (76, 77) versehen ist, die die Ausgangssignale der Vorverstärker an die Kombinationsvorrichtung weitergibt, den Körper des Patienten jedoch gegen die Stromversorgung der Kombinationsvorrichtung isoliert.
6.) Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorverstärker (41 bis 44) und die zugehörigen Meßelektroden (40) so zusammengebaut sind, daß die störungsempfindlichen Verbindungen zwischen den Elektroden (40) und den Verstärkern (41 bis 44) möglichst kurz sind.
7.) Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorverstärker eine hohe Eingangsimpedanz und eine relativ niedrige Ausgangsimpedanz haben.
8.) Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Spannungsverstärkung der Vorverstärker durch eine Gegenkopplung bestimmt wird und für alle Vorverstärker gleich ist.
9.) Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Vorverstärker einen Ausgangstransistor (42) eines ersten Leitungstyps enthält, dessen Emitter mit einer ersten Versorgungsleitung (45) verbunden ist, dessen Kollektor an eine Ausgangsklemme und über eine Reihenschaltung aus zwei Gegenkopplungswiderständen an eine zweite Versorgungsleitung (46) angeschlossen ist, und dessen Basis mit dem Kollektor eines Eingangstransistors (41) des entgegengesetzten Leitungstyps gekoppelt ist; daß der Emitter des Eingangstransistors (41)

4 0 9 8 1 I₁1 0 9 9 3

mit der Verbindung der beiden Gegenkopplungswiderstände (43, 44) verbunden ist und daß die Basis des Eingangstransistors als Eingangsanschluß für eine Elektrode (40) dient.
10.) Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß die an den Körper angelegte Bezugsspannung im wesentlichen gleich der Spannung an den Eingängen der Vorverstärker ist.
11.) Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsvorrichtung Koaxialkabel (103) enthält.
12.) Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektroden leicht lösbar mit dem Geschirr verbunden sind, so daß sie nach Gebrauch aus hygienischen Gründen schnell auswechselbar sind.
13.) Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorverstärker in Verbindung mit den Elektroden leicht vom Geschirr lösbar und an diesem wieder anbringbar sind.
14.) Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine Kombinationsvorrichtung mit mindestens einem Summierverstärker (71), der ein gewichtetes Summensignal liefert, das die Summe von gewichteten Eingangssignalen darstellt, die von jeder Meßelektrode einer Vielzahl von Meßelektroden gewonnen wurde, ferner mit einem Gleichrichter (72) , über den das gewichtete Summensignal dem Eingang eines Integrators (73) zugeführt ist, dessen Ausgangssignal nach einer vorgegebenen Zeitspanne ein Maß für die Aktivität eines Bereiches des Herzens darstellt, welcher (für eine bestimmte Anordnung der Meßelektroden) durch die Wichtung der dem Verstärker zugeführten Eingangssignale bestimmt ist; und durch eine mit dieser Kombinationsvorrichtung verbundene Anzeigevorrichtung (74, 75, UND-Glied in Fig. 4), die anzeigt, wo das Ausgangssignal des Integrators (73) bezüglich vorgegebener Ausgangsschwellwerte liegt.

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15.) Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinations-Vorrichtung enthält: einen Umsetzer (105, 106) der Proben der elektrischen Signale von den Meßelektroden in digitaler Form liefert und eine digitale Anordnung (108) zum Erzeugen einer ersten Matrix (A) aus Werten, die die Proben in einer Anordnung entsprechender Anordnung der Meßelektroden darstellt, einer zweiten Matrix aus Werten, die eine zweidimensionale Fouriertransformation der ersten Matrix ist; zum Erweitern der zweiten Matrix in eine größere dritte Matrix in dem die zweite Matrix in Quadranten unterteilt, die Quadranten in die entsprechenden Ecken der dritten Matrix eingesetzt und die restlichen Plätze der dritten Matrix mit Nullen ausgefüllt werden, und schließlich zur Transformation der dritten Matrix in eine vierte Matrix durch die inverse zweidimensionale Fouriertransformation, derart daß die vierte Matrix mindestens zum Teil der ersten Matrix entspricht, aber mehr Werte enthält, die die elektrische Aktivität des Herzens darstellen; und daß die Anzeigevorrichtung ein Äquipotentialdiagramm (111) der vierten Matrix liefert.
16.) Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß der die Proben in digitaler Form liefernde Umsetzer eine Zeitmultiplexeinrichtung (105) enthält, die die Proben der Signale sequentiell an den Eingang eines Analog/ Digital-Umsetzers liefert.
17.) Einrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet , daß die digitale Anordnung zum Erzeugen und Transformieren der Matrizen einen schnellen Spezial-Fouriertrahsformationsrechner enthält.
18.) Einrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung zum Erzeugen einer graphischen Darstellung der Verteilung jeweils gleicher Werte in der vierten Matrix eine digital steuerbare Mikrofilm-DiagrammaufZeichnungsvorrichtung enthält.

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