DE2454839B1

DE2454839B1 - Vorrichtung zum Erfassen und Sichtbarmachen von physiologischen Messsignalen insbesondere EKG-Signalen

Info

Publication number: DE2454839B1
Application number: DE2454839A
Authority: DE
Inventors: Michael Maas
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-11-19
Filing date: 1974-11-19
Publication date: 1976-04-22
Also published as: IT1048650B; SE7512831L; FR2292234A1; SE402650B; DK142071C; US4041328A; DK142071B; DK466675A; FR2292234B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erfassen und Sichtbarmachen von physiologischen Meßsignalen mit eingestreuten schmalen und hochamplitudigen Spannungsspitzen, insbesondere von EKG-Signalen, denen Schrittmacherimpulse überlagert sind, mit einem im Meßsignalweg eingeschalteten RC-Filter, einem Erkennungsglied zum Erkennen der Signalspitzen und einem Gerät für die Sichtaufzeichnung der Signale.

In der Signalmeßtechnik ergeben sich einem Nutzsignal überlagerte Spannungsspitzen häufig auf Grund von Störungen. Man ist daher im Normalfall bestrebt, derartige Spitzen im Nutzsignal zu unterdrücken. In der Praxis gibt es jedoch auch Fälle, wo die Austastung bzw. auch starke Bedämpfung solcher Spannungsoder Stromspitzen nicht erwünscht ist, sondern im Gegenteil diese Spitzen erfaßt und zusammen mit dem eigentlichen Meßnutzsignal z.B. an einem Schreiber, Oszillographen od. dgl. abgebildet werden sollen. Ein solcher Fall tritt beispielsweise in der Elektromedizin bei der Überwachung von Herzkranken auf, deren Herzaktionen durch Reizimpulse, z.B. eines Herzschrittmachers (Schrittmacherimpulse), unterstützt oder gesteuert werden. Hier ist es erwünscht, daß die Reizimpulse zusammen mit dem Elektrokardiogramm des Patienten erfaßt und sichtbar gemacht werden. Der überwachende Arzt kann dann an Hand der Aufzeichnung z.B. den Erfolg der Reizunterstützung kontrollieren.

Die Aufzeichnung extrem schmaler und hochamplitudiger Spannungsspitzen - Schrittmacherimpulse weisen beispielsweise bei einer Basisbreite von maximal 0,8 ms eine Amplitude auf, die etwa das Vierzigfache einer normalen R-Zacke beträgt - bereitet jedoch nicht unerhebliche Schwierigkeiten, da normale Schreiber zur Erreichung der erforderlichen hohen Schreibgeschwindigkeiten im allgemeinen- -zu-Jtgge sind und auch bei den trägheitslosen Oszillographen^ rasche Vertikalablenkungen des Elektronenstrahls nur zu äußerst helligkeitsschwachen Abbildungen führen, aus denen sich die Spitze nur schwer wiedererkennen läßt.

Um wenigstens Lage und Auftrittszeitpunkte der Spitzen sichtbarmachen zu können, hat man deshalb speziell in der EKG-Diagnostik bisher solche Verarbeitungsvorrichtungen verwendet, bei denen mit Erkennung eines Schrittmacherimpulses durch ein elektronisches Erkennungsglied ein Normimpuls erzeugt wird, dessen Breite gegenüber der Basisbreite eines Schrittmacherimpulses sehr viel größer und dessen Amplitude gegenüber jener eines Schrittmacherimpulses sehr viel niedriger ist. Dieser Normimpuls wird dann als Nachweis für das Auftreten eines Schrittmacherimpulses zusammen mit dem EKG am Sichtgerät dargestellt (siehe beispielsweise Service Anleitung »Control unit Amplifier EMT 290/11/12« der Firma

ELEMA-SCHÖNANDER AB, Schweden, 26. Jan. 1972).

Die Darstellung eines Schrittmacherimpulses als Normimpuls hat jedoch den Nachteil, daß wichtige dem Schrittmacherimpuls zu entnehmende Informationen, beispielsweise über dessen Polarität, Amplitude oder auch Anstiegssteilheit, verloren gehen. Aus derartigen Informationen lassen sich jedoch wichtige Rückschlüsse auf den Betriebszustand des Schrittmachers ziehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die genannten Nachteile nicht aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch vom Erkennungsglied gesteuerte Überbrückungsschaltmittel, die mit Erkennung einer hohen Spannungsspitze durch das Erkennungsglied diese unter Überbrückung des ohmschen Widerstandes im RC-Filter direkt an den zugehörigen Filterkondensator anschalten und anschließend nach Überschreitung der Amplitude der Signalspitze unter Aufhebung der Widerstandsüberbrückung den geladenen Kondensator zwecks langsamer Entladung signalmäßig wieder mit dem ohmschen Widerstand verbinden.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung ergibt sich hinter dem RC-Filter eine Spannungsspitze, die gegenüber der ursprünglichen stark verbreitert ist, ansonsten jedoch die ursprünglichen Informationen über Polarität, Anstiegssteilheit und Amplitude weiter beinhaltet. Eine derart verbreiterte Spitze läßt sich nun aber im Sichtbild sowohl bei relativ trägen Schreibern als auch Oszillographen gut darstellen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel im Prinzipaufbau mit einem einzigen RC-Glied,

Fig. 2 ein entsprechendes Ausführungsbeispiel mit mehreren RC-Gliedern.

In der Fig. 1 ist mit 1 der Signaleingang der Schaltungsanordnung für eine Signalspannung Ü_E, z.B. für ein Elektrokardiogramm, und mit 2 der zugehörige Signalausgang bezeichnet. Im Signalweg 3 zwischen Eingang 1 und Ausgang 2 ist ein RC-Glied mit dem ohmschen Widerstand 4 und dem parallelgeschalteten Kondensator 5 eingeschaltet. Ferner liegen am Signalweg 3 über gegensinnig gepolte Dioden 6 bzw. 7 die Kollektoren zweier Transistoren 8 und 9. Die Emitter dieser Transistoren 8 und 9 sind über eine gemeinsame Leitung 10 am Signalweg 3 vor dem RC-Glied 4, 5 angeschaltet. Die Basis der beiden Transistoren liegt hingegen über Begrenzungswiderstände 11, 12 sowie gegensinnig gepolte Dioden 13 bis 16, von denen die Dioden 15 und 16 Zenerdioden sind, an einer Bezugsspannung U_B. Die Zenerdioden 15 und 16 sind jeweils über Widerstände 17 und 18 mit den Spannungen — U₀ bzw. + U₀ vorgespannt.

In der beschriebenen Schaltung ist das RC-Glied 4, 5 (Tiefpaß) so bemessen, daß der Signalverlauf U_E, beispielsweise der Verlauf der EKG-Signale, vom Signaleingang 1 zum Signalausgang 2 nicht wesentlich verfälscht wird. Die Bezugsspannung U_B ist ferner so gewählt, daß auch relativ hohe Nutzsignalamplituden des Signals U_E, beispielsweise im Falle eines Elektrokardiogramms relativ hochamplitudige R-Zacken, ohne Einfluß auf das Schaltverhalten der Transistoren 8 und 9 Sind. Treten jedoch im Nutzsignal U_E außergewöhnlich hochamplitudige Spannungsspitzen auf, die die Differenz zwischen Eingangsspannung U_E und Bezugsspannung U_B um einen bestimmten durch die Zenerspannung der Zenerdioden 15 bzw. 16, die Schleusenspannung der Dioden 13 bzw. 14, den Spannungsabfall an den Begrenzungswiderständen 11 bzw. 12 und die Emitter-Basisspannung der Transistoren 8 bzw. 9 - festgelegten Spannungsbetrag U_s überschreiten, was im Falle von EKG-Signalen

ίο beispielsweise mit dem Auftreten von Schrittmacherimpulsen eines Herzschrittmachers gegeben ist, so wird bei positiver Spannungsspitze der Transistor 8, bei negativer Spannungsspitze hingegen der Transistor 9 in den leitenden Zustand gesteuert. Dies bewirkt, daß die Spannungsspitze unter Umgehung des Widerstandes 4 (Kurzschluß des Widerstandes 4) im RC-Glied 4,5 direkt über die Leitung 10, die Kollektor-Emitterstrecke des jeweils leitenden Transistors 8 und 9 sowie die entsprechend leitende Diode 6 oder 7 auf den Kondensator 5 des RC-Gliedes gelangt. Da der ohmsche Widerstand im Zuführkreis sehr niedrig ist, wird demnach der Kondensator sehr rasch auf die Spitzenspannung der Spannungsspitze aufgeladen. Sobald die Spannungsspitze ihren höchsten Punkt überschritten hat, schließt sich der jeweils leitende Transistor 8 oder 9 und der Kondensator 5 wird nun langsam über den ohmschen Widerstand 4 auf das Potential des Nutzsignals U_E entladen. An den Signalausgang 2 der Schaltungsanordnung nach der Fig. 1 gelangt somit zusammen mit dem Nutzsignal U_E eine Spannungsspitze, die gegenüber der ursprünglichen zwar breitenerweitert ist, ansonsten jedoch dieselbe Anstiegszeit und im wesentlichen auch die gleiche Amplitude wie die ursprüngliche Spannungsspitze aufweist. Die Breite der an dem Signalausgang 2 anfallenden Signalspitze hängt dabei lediglich von der Entlade-Zeitkonstanten des RC-Gliedes 4, 5 ab. Der auf diese Weise breitenerweiterte Spitzenimpuls läßt sich nun bequem mittels Schreiber oder Oszillographen zusammen mit dem Ursprungssignal U_n sichtbarmachen.

Als Bezugspotential U_B kann beispielsweise das Massepotential gewählt werden. Es besteht dann jedoch Gefahr, daß starke Nullschwankungen des Ur-Sprungssignals U_E bereits zu einer Durchschaltung ei-

—nes der Transistoren 8 bzw. 9 führen. Vorteilhafter ist es deshalb, das Bezug^pptential· U_B~an eventuell auftretende Gleichspannungsschwankungen im Ursprungssignal U_E entsprechend anzupassen.

Dies geschieht beispielsweise gemäß der Schaltungsanordnung nach der Fig. 2 durch einen Tiefpaß 19 mit den ohmschen Widerständen 20 und 21 sowie den Kapazitäten 22 und 23, der an der Eingangsspannung U_E angeschaltet ist und jeweils aus dieser Eingangsspannung U_E einen zeitlichen Mittelwert, der im wesentlichen den Gleichspannungsteil wiedergibt, bildet. Dieser Mittelwert des Nutzsignals U_E entspricht dann dem verwendeten Bezugsspannungswert U_B. Die Grenzfrequenz des Tiefpasses 19 sollte hierbei zu einem Wert gewählt sein, der wesentlich niedriger ist als jene Frequenz, die in der Periodendauer der Impulsbreite der Spannungsspitze entspricht.

Die Schaltungsanordnung nach der Fig. 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 auch noch dadurch, daß an Stelle nur eines einzigen RC-Gliedes insgesamt fünf RC-Glieder 24 bis 33 verwendet sind, die wiederum durch Dioden 34 bis 45 gegeneinander entkoppelt sind. Die Dioden bil-

den außerdem eine zusätzliche Schwelle zwischen den einzelnen Stufen. Durch die Verwendung einer Vielzahl von derart geschalteten RC-Gliedern wird insbesondere die Dachbreite des abzubildenden Spitzenimpulses vergrößert.

Der Differenzverstärker 46 stellt einen Eingangsverstärker für die Signalspannung U_R dar. Der Differenzverstärker 46' mit den Beschaltungselementen 47 bis 51 dient hingegen als Ausgangsverstärker für das jeweilige Signal. Am Ausgang dieses Verstärkers 46' ist wie auch beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 wieder ein Aufzeichnungsgerät, z.B. Schreiber oder Oszillograph, zur Abbildung der jeweiligen Signale angeschaltet.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erfassen und Sichtbarmachen von physiologischen Meßsignalen mit eingestreuten schmalen und hochamplitudigen Spannungsspitzen, insbesondere von EKG-Signalen, denen Schrittmacherimpulse überlagert sind, mit einem im Meßsignalweg eingeschalteten RC-Filter, einem Erkennungsglied zum Erkennen der Signalspitzen und einem Gerät für die Sichtaufzeichnung der Signale, gekennzeichnet durch vom Erkennungsglied (6 bis 18) gesteuerte Überbrückungsschaltmittel (8, 9), die mit Erkennung einer hohen Spannungsspitze durch das Erkennungsglied diese unter Überbrückung des ohmschen Widerstandes (4) im RC-Filter (4, 5) direkt an den zugehörigen Filterkondensator (5) anschalten und anschließend nach Überschreitung der Amplitude der Signalspitze unter Aufhebung der Widerstandsüberbrückung den geladenen Kondensator (5) zwecks langsamer Entladung signalmäßig wieder mit dem ohmschen Widerstand (4) verbinden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überbrückungsschaltmittel Transistoren (8, 9) als Kurzschlußschalter zum Kurzschließen des ohmschen Widerstandes (4) im RC-Filter (4, 5) umfassen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß insgesamt zwei Transistoren (8, 9) vorhanden sind, von denen der eine (8) beim Anfallen positiver und der andere (9) beim Anfallen negativer Spannungsspitzen den ohmschen Widerstand kurzschlußmäßig überbrückt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (8, 9) durch vorgeschaltete entsprechend gegensinnig gepolte Dioden (6,7) vom Meßsignal (U_E) im Meßsignalweg (3) hinter dem RC-Filter (4, 5) entkoppelt sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereingänge der Transistoren (8, 9) über je einen Begrenzungswiderstand (11, 12) sowie Dioden (13 bis 16) an einer Bezugsspannung (t/_B) angeschaltet sind und die Transistoren jeweils in den leitenden Zustand gesteuert werden, wenn die Meßsignalspannung ( U_E) die Bezugsspannung ( U_g) um einen vorgebbaren Differenzwert (t/_s) überschreitet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (13 bis 16) einfache Halbleiterdioden (13, 14) und Zenerdioden (15, 16) umfassen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzwert (U_s) durch die Zenerspannung der Zenerdioden (15,16), die Schleusenspannung der einfachen Halbleiterdioden (13, 14), den Spannungsabfall an den Begrenzungswiderständen (11, 12) und die Emitter-Basisspannung der Transistoren (8,9) vorgebbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannung (Ug) ein zeitlicher Mittelwert der Meßsignalspannung ( U_E) ist, der vorzugsweise durch Signalintegration in einem Tiefpaß (19) gewonnen

wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das RC-Filter eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden RC-Gliedern (24 bis 33) umfaßt, die durch Dioden (34 bis 45) sowohl gegenüber den Transistoren (8,9) als auch untereinander entkoppelt sind.