DE2363218C3 - Vorrichtung zum Erfassen von im wesentlichen periodisch wiederkehrenden Ereignissen in physiologischen Meßsignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erfassen von im wesentlichen periodisch wiederkehrenden Ereignissen in physiologischen Meßsignakm, z. B.

R-Zacken im EKG, mit einem Signalgleichrichter und einem diesem nachgeschalteten Schwellendiskriminator, der auf einen Schwellwert eingestellt ist, der vom zu erfassenden Ereignis im physiologischen Meßsignal nach Gleichrichtung überschritten werden kann und der ein Ausgangssignal erzeugt immer dann, wenn der Schwellwert vom gleichgerichteten Signal überschritten wird. Bei dem Meßsignal kann es sich um ein solches handeln, das bereits von aperiodischen oder fremd eingestreuten periodischen Störanteilen bereinigt ist

Vorrichtungen dieser Art werden insbesondere in der EKG-Meßtechnik zum Erfassen der R-Zacken des EKG eingesetzt und sie arbeiten nur dann fehlerfrei, wenn auch tatsächlich nur echte R-Zacken allein die Schwelle des Schwellendiskriminators überschreiten. Häufig ist es jedoch so, daß das EKG-Signal neben den periodisch wiederkehrenden R-Zacken weitere, ebenfalls periodisch wiederkehrende Signalanteile aufweist die in ihrer Amplitude so hoch sein können, daß sie nach Gleichrichtung ebenfalls noch über der Schwelle des Schwellendiskriminators liegen. Solche Signalanteile sind beispielsweise den R-Zacken entgegengesetzt polarisierte überhöhte Q- oder S-Spitzen, die mit den R-Zacken in fester Phasenbeziehung stehen. Würden diese Signalanteile also vom Schwellendiskriminator miterfaßt, so käme es zu überhöhten Frequenzanzeigen. Um also eine falsche Meßanzeige zu verhindern, muß dafür gesorgt werden, daß sämtliche schweilwertüberschreitenden Anteile, außer demjenigen Anteil, der angezeigt werden soll, unterdrückt werden. Dies

so geschah bisher in bekannter Weise durch Einsatz von Austasttoren (z.B. US-PS 35 54 188). Ein solches Tor wird mit dem Auftreten einer Schwellwertüberschreitup.g für eine vorgebbare Zeitdauer für den Durchtritt weiterer Signalanteile gesperrt Die Toraustastung funktioniert jedoch nur dann einwandfrei, wenn das schwellwertUberschreitende Ereignis immer .eine R-Zacke ist Dies ist jedoch häufig nicht der Fall. Es kommt oft vor, daß trotz optimaler Vorwahl der Schwelle des Schwellendiskriminators im EKG R-Zakken auftreten, die unterhalb der Schwelle liegen. Diese R-Zacken werden dann entweder überhaupt nicht erfaßt, so daß es zu Anzeigen mit fälschlicherweise zu niedriger Herzfrequenz kommt. Auf eine zu niedrige R-Zacke kann jedoch durchaus auch eine S-Zacke

Ί5 folgen, die nach Gleichrichtung die Schwelle des Schwellendiskriminators überschreiten kann. Dann wird zwar ein schwellwertüberschreitendes Ereignis angezeigt; es kommt jedoch wegen des Hin- und

Hersprjngens zwischen den schwellwertüberschreitenden Ereignissen (ζ,Β, R-Zacke und S-Zacke) zu Stolperungen in der Frequenzanzeige, Die Austastung mittels Torschaltung gewährleistet also nicht, daß die periodisch wiederkehrenden Ereignisse im zu überwachenden physiologischen Signal jeweils an der gleichen optimalen Stelle erfaßt und zur Auswertung herangezogen werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend aufzubauen, daß in einem zu aberwachenden physiologischen elektrischen Meßsignal periodisch wiederkehrende Ereignisse, die auszuwerten sind, immer an der gleichen optimalen Stelle erfaßt und zur Auswertung herangezogen werden können. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Ausgangssignal des Schwellendiskriminators ein Schaltglied betätigt in dem Sinne, daß durch dieses eine Signalpolaritätserkennungseinrichtung an den Meßsignalweg vor dem Gleichrichter angeschaltet wird, die die jeweils im Augenblick der Schwellwertüberschreitung am Schweliendiskriminalor vorliegende Polarität der schwellwertüberschreitenden Signalamplitude vor dem Gleichrichter erfaßt und daß von der Polaritätserkennungseinrichtung in Abhängigkeit von der erfaßten Signalpolarität ein Gleichpotentialüberlagerer betätigt wird in dem Sinne, daß er den Signalen vor dem Gleichrichter wenigstens bis zum Auftreten der nächstfolgenden Schwellwertüberschreitung ein Gleichpotential mit einer der erfaßten Signalpolarität entsprechend Polarität überlagert, wobei das Gleichpotential einen betragsmäßig zwischen Null und dem Schwellwert des Schwellendiskriminators liegenden Wert aufweist Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird davon ausgegangen, daß bei elektrischen Signalen mit solchen positiven und negativen Signalanteilen, die beide gleichermaßen nach der Gleichrichtung zu Schwellwertüberschreitungen führen, diejenigen Signalanteile, die für die Weiterverwertung tatsächlich interessant sind (z.B. R-Zacken im EKG), im Normalfall immer mit derselben Polarität (also entweder nur positiv oder nur negativ) und insbesondere bei lediglich vereinzelt auftretenden entgegengesetzt polarisierten Signalstörspitzen auch noch mit einer größeren Häufigkeit als diese anfallen. Aufgrund dieses Sachverhaltes wird also bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Normalfall nach dem erstmaligen Auftreten eines schwellwertüberschreitenden interessierenden Signalanteiles (z. B. beim erstmaligen Anfall einer R-Zacke im EKG) das elektrische Signal nachfolgend von Anfall zu Anfall weiterer derartiger Signalunteile praktisch kontinuierlich mit einem Gleichpotential mit der Polarität dieser interessierenden Signalanteile überlagert Hierdurch werden (bei geeigneter Wahl des Gleichpotentialwertes) auch eventuelle hochamplitudige, gegensinnig polarisierte Signalanteile (z. B. der R-Zacke entgegengesetzt polarisierte Q- oder S-Anteile bzw. auch vereinzelt eingestreute entgegengesetzt polarisierte Störspitzen) so weit in der Polaritätsrichtung des Gleichpotentials verschoben, daß sie nach der Gleichrichtung unterhalb der Schwelle des Schwellendiskriminators liegen. Die Vorrichtung nach der Erfindung sucht also einerseits selbsttätig aus einem Meßsignalgemisch mit relativ hohen positiven und negativen Signalanteilen diejenigen Signalanteile heraus, die besonders häufig mit einer bestimmten Polarität anfallen und hebt diese Signalanteile bevorzugt über die Schwelle des Schwellendiskriminators, währei.r. entgegengesetzt polarisierte Signalanteile praktisch immer von vornherein unter die Schwelle des Schwellendiskriminators gedämpft werden.
Damit hat die erfwidungsgemtße Vorrichtung gegenüber den herkömmlichen Vorrichtungen mit ζ,Β, elektronischen Toren den erheblichen zusatzlichen Vorteil, daß zumindest den interessierenden Signalanteilen entgegengesetzt polarisierte Signalanteile, welche erfahrungsgemäß starke Störungen mit sich

ίο bringen, schon unter den Schwellwert des Schwellendiskriminators gedrückt werden, bevor sie diesen überhaupt erreichen. Meßfehler, wie sie z. B. bei Torunterdrückungsschaltungen durch entsprechende Siöreinstreuungen im Toröffnungszeitintervall auftreten kcnnen, werden hierdurch von vorherein vermieden. Gegebenenfalls eingestreute Störsignale mit derselben Polarität wie die interessierenden schwellwertüberschreitenden Signalanteile können awar durch die erfindungsgemäße Vorrichtung auch weiterbin nur bedingt (z.B. in Kombination mit elektronischen Austasttoren) ausgetastet werden. Ar/piind der erfindungsgemäßen Totalunterdrückung der hauptsächlich störenden gegenpoligen Signalanteile sind jedoch derartige Störsignale, falls sie überhaupt auftreten, äußerst geringzahlig und deshalb auch sehr leicht (auf jeden Fall sehr viel sicherer als bisher) als Störeinstreuungen zu erkennen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines auf die EKG-Verarbeitung abgestellten Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen. Es zeigt

F i g. 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung im Prinzipschaltbild,

Fig.2 ein EKG-Signaldiagramm, das schematisch den Unterdrückungsvorgang von negativen EKG-Signalanteilen bei positiver R-Zacke des EKG-Signals aufzeigt
F ig. 3 ein entsprechendes Signaldiagramm für negative R-Zacken im EKG.

Im Prinzipschaltbild nach der F i g. 1 werden die z. B. mittels Elektroden am Körper eines Patienten abgenommen EKG-Signale an den Eingang E einer Vorverarbeitungseinrichtung 1 (die z. B. einen Vorverstärker für die EKG-Signale, einem Bandpaß zur Selektion der z. B. für die QRS-Komplexe signifikanten Frequenzen und gegebenenfalls auch eine Amplitudenausgleichsregelungsschaltung für die R-Zackenamplituden enthält) zugeleitet Die am Ausgang der Vorverarbeitungseinrichtung anfallenden Signale S\ werden dann auf den nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 2 gegeben. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers ist hierbei einerseits über den ohmschen Widerstand 3 mit Masse verbunden und

v, andererseits über den ohmschen Widerstand 4 mit dem Verstärkerausgang gekoppelt Der invertierende Eingang des Verstärkers 2 ist ferner auch noch über einen ohmschen Widerstand 5 mit der Teileranzapfung 6 eines aus ohmschen Widerständen 7, 8, 9 bestehenden asymmetrischen Spannungsteilers (Widerstände 8 und 9 sind niedriger als der Widerstand 7) verbunden. Dieser Spannungsteiler überlagert dem EKG-Signal am Ausgang des Operationsverstärkers 2 ein Gie'chpotential, dessen Polarität je nach Schaltzustand einer dem Spannungsteiler vorgeordneten, aus den beiden Transistoren 10 und 11 sowie der. ohmschen Beschaltungswiderständen 9, 12 bis 16 bestehenden bistabilen Kippstufe, wie nachfolgend näher beschrieben, positiv

oder negativ ist

Das Ausgangssignal S₂ des Operationsverstärkers 2 wird einerseits aber einen aus den Dioden 17 und 18, einem Vorschaltwidefstand 19 sowie einem Verstärker 20 mit dem Beschaltungswiderständen 21 und 22 gebildeten Doppelweggleichrichter zugeleitet und andererseits Ober die Widerstände 23 und 24 mit dazwischen geschaltetem Feldeffekttransistor 25 an den Steuereingang der bistabilen Kippstufe 9 bis 16 (Basis des Transistors 11) gelegt Der Feldeffekttransistor 25 befindet sich hierbei im leitenden Zustand, solange das Ausgangssignal Si am Ausgang des Doppelweggleichrichters 17 bis 22 den auf einen Spannungswert nahe den R-Zackenspitzen der EKG-Signale eingestellten Schwellwert G eines Schwellendiskriminators 26 (z. B. monostabile Kippstufe mit Schwellentransistor) nicht überschreitet Er schließt damit für diese Zeitspannen das Ober den Widerstand 23 kommende, noch nicht gleichgerichtete EKG-Signal über seine Quelle-Senkestrecke kurz. Überschreitet hingegen das EKG-Signal in der Amplitude den eingestellten Schwellwert G des Schwellendiskriminators 26, so erzeugt dieser an einem ersten Ausgang einen ersten Anzeigeimpuls für die erfolgte Schwellwertüberschreitung, der einem Registrier- oder ev. Verarbeitungsgerät 27 (z. B. Zählschaltung od. dgl.) zur Anzeige bzw. zur Weiterverarbeitung zugeführt wird.

Der Schweilendiskriminator 26 erzeugt ferner neben diesem ersten Anzeigeimpuls bei jeder Schwellwertüberschreitung an einem weiteren Ausgang auch noch kurzzeitig einen zweiten, negativen Anzeigeimpuls, der über ein ÄC-Glied 28, 29 sowie den ohmschen Widerstand 30 unmittelbar auf die Steuerelektrode des Feldeffekttransistors 25 gegeben wird. Der Feldeffekttransistor 25 wird durch diesen negativen Impuls kurzzeitig in den gesperrten Zustand gesteuert, wodurch nunmehr ebenso kurzzeitig die schwellwertüberschreitende Amplitude vor dem Doppelweggleichrichter 17 bis 22 über die Widerstände 23 und 24 an die Basis des Transistors 11 der bistabilen Kippstufe 9 bis 16 gelegt wird. Ist dabei diese schwellwertüberschreitende Signalamplitude z. B. erstmals positiv, so wird die

u:—_l:i_ v: ...r. α u:- ic ι : :~i : :_ _:_„„

Schwellendiskriminators 26 beträgt. Ist hingegen die schwellwertüberschreitende Signalamplitude negativ, so wird die bistabile Kippstufe 9 bis 16 in ihren zweiten stabilen Zustand gekippt. Bei nunmehr gesperrtem Transistor 11 ergibt sich aufgrund der an den Widerständen 9 und 8 anliegenden positiven Betriebsspannung + Uo der bistabilen Kippstufe an der Teileranzapfung 6 des Spannungsteilers 7 bis 9 ein positives Gleichpotential. Nach Invertierung durch den

to Verstärker 2 ist also diesmal dem EKG-Signal Si ein negatives Potential überlagert, wobei dessen Wert wiederum betragsmäßig bei ca. 20% des Schwellwertes des Schwellendiskriminators 26 liegt.

Der Einfluß des jeweiligen positiven oder negativen

Gleichpotentials auf die EKG-Signale ist z.B. in den F i g. 2 und 3 veranschaulicht.

Die F i g. 2 zeigt als S\(t)den Zeitverlauf eines EKG's, das bevorzugt positive R-Zacken und beispielsweise entsprechend hochamplitudige und dementsprechend störende negative S-Zacken aufweist Mit St(t) ist hingegen das aufgrund der bevorzugt positiven R-Zacken praktisch dauernd mit dem positiven Gleichpotential überlagerte Ausgangs-EKG des Operationsverstärkers 2 aufgezeigt. Aus Sift), d. h. dem Signalverlauf des gleichgerichteten, mit dem positiven Gleichpotential überlagerten EKG-Signals, geht dann schließlich hervor, daß die negativen S-Spitzen nunmehr deutlich unter die Schwelle G des Schwellendiskriminators Jö gedrückt sind und damit nicht mehr zu Fehlüberschreitungen führen können. Die F i g. 3 zeigt demgegenüber lediglich den umgekehrten Fall, d. h. die Signalverläufe St'OX Si'OX S₃ ¹O) bei EKG-Signalen mit bevorzugt negativen R-Zacken und demnach positiven S-Zacken und bei überlagertem negativem Gleichpotential.

Die anhand der F i g. 2 und 3 beschriebene S-Zackenunterdrückung hat selbstverständlich nur exemplarischen Charakter. Neben der S-Zacke wird von der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach F i g. 1 selbstverständlich auch jeder andere hochamplitudige, den R-Zacken entgegengesetzt polarisierte Störanteil (z. B. auch eingestreute Störanteile) in derselben Weise

ersten stabilen Zustand gekippt, in der der Transistor 11 leitend, der Transistor 10 hingegen gesperrt ist. Über den leitenden Transistor 11 wird damit an den Widerstand 8 des Spannungsteilers 7 bis 9 Massepotential angelegt und somit das Potential der Teileranzapfung 6 zu einem negativen Wert verschoben. Dieser negative Potentialwert ist dabei so groß gewählt, daß nach Invertierung durch den Operationsverstärker 2 das dem Ausgangsiignal S₂ des Verstärkers überlagerte positive Gleichpotential ca. 20% des Schwellwertes des unterdrückung erfolgt dabei auch vollkommen unabhängig von einem eventuellen zusätzlich vorgesehener elektronischen Tor der eingangs beschriebenen Art

(z. B. bei Ausbildung des Schwellendiskriminators 26 als monostabile Kippstufe, deren Rückkippzeitpunkt nach jeweils erfolgter Schwellwertüberschreitung entsprechend mehr oder weniger verzögert ist). Ein derartiges zusätzliches Tor ist zwar zweckmäßig, aber nicht unbedingt erforderlich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. Patentansprüche;

   t. Vorrichtung zum Erfassen von im wesentlichen periodisch wiederkehrenden Ereignissen in physiologischen Meßsignalen, z, B, R-Zacke im EKG, mit einem Signalgleichrichter und einem diesem nachgeschalteten Schweüendiskriminator, der auf einen Schwellwert eingestellt ist, der vom zu erfassenden Ereignis im physiologischen Meßsignal nach Gleichrichtung überschritten werden kann und der ein Ausgangssignal erzeugt immer dann, wenn der Schwellwert vom gleichgerichteten Signal überschritten wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Schwellendiskriminators (26) ein Schaltglied (25) betätigt in dem Sinne, daß durch dieses eine Signalpolaritätserkeniwngseinrichtung (9 bis 16) an den Meßsignalweg vor dem Gleichrichter (17 bis 22) angeschaltet wird, die die jeweils im Augenblick der Schwellwertübersclireitung am Schwellendiskriminator vorliegende Polarität der schweilwertüberschreitenden Signalamplitude vor dem Gleichrichter (17 bis 22) erfaßt und daß von der Polaritätserkennungseinrichtung (9 bis 16) in Abhängigkeit von der erfaßten Signalpolaritiit ein Gleichpotentialüberlagerer (7 bis 9) betätigt wird in dem Sinne, daß er den Signalen vor dem Gleichrichter wenigstens bis .zum Auftreten der nächstfolgenden Schwellwertüberschreitung ein Gleichpotential mit einer der erfaßten Signalpolarität entsprechenden Polarität überlagert, wobei das Gleichpotential einen betragsmäßig zwischen Null und dem Schwsilwert (OJ des Schwellendiskriminators (26) liegenden Wert aufweist
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalpolarttätserkennungseinrichtung (9 bis 16) eine bistabile Kippstufe ist, die in Abhängigkeit von positiven oder negativen schweilwertüberschreitenden Signalanteilen in den einen oder anderen stabilen Zustand geschaltet wird.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalpolaritätserkennungseinrichtung (9 bis 16) mittels eines Schalters (25) an dem Signalweg vor dem Gleichrichter (17 bis 22) anschaltbar ist, welcher Schalter durch einen vom Schwellendiskriminator (26) jeweils bei einer Schwellwertüberschreitung angegebenen Spannungsimpuls aktiviert wird.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (25) ein Feldeffekttransistor ist, der bei fehlendem Ausgangssignal des Schwellendiskriminators (26) die elektrische Signalverbindung zwischen Signalweg und Signalpolaritätserkennungseinrichtung (9 bis 16) kurzschlußmäßig unterbricht und der lediglich bei einer Schwellwertüberschreitung am Schwellendiskriminator, zur vorübergehenden Aufhebung der Signalverbindungsunterbrechung, kurzzeitig durch den Spannungsimpuls des Schwellendiskriminators in den gesperrten Zustand gesteuert wird.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichpotentialüberlagerer (7 bis 9) einen asymmetrischen Spannungsteiler (7 bis 8) enthält, dessen einer Teilerendpunkt dauernd an einer der beiden, zueinander gegensinnigen Betriebsspannungen (—i/o) der bistabilen Kippstufe liegt, und bei dem durch Anschaltung der anderen der beiden Kippstufenbetriebsspannungen (+Uo) in der einen stabilen Kipplage oder des Nullpotentials in der anderen stabilen Kipplage an den zweiten Teilerendpunkt das Teilerpotential der mit dem Signalweg vor dem Gleichrichter (17 bis 22) verbundenen Teileranzap-

   fung (6) entsprechend zu einem positiven oder negativen Gleichpotential verschoben wird

   6, Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das dem elektrischen Signal vor dem Gleichrichter (17 bis 22) jeweils überlagerte positive oder negative Gleichpotential betragsmäßig etwa 20% des SchweUwertes des Schwellendiskriminators (26) beträgt