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Meßanordnung für die Pulswellenlaufzeit einer Meßperson Die Erfindung
betrifft eine Meßanordnung zur Gewinnung einer die Pulswellenlaufzeit einer Meßperson
wiedergebenden elektrischen Größe mit einer Ableitung zur Abnahme des Elektrokardiogramms
und zur Gewinnung eines elektrischen Signals aus der R-Zacke desselben.
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Die übliche direkte Blutdruckmessung erweist sich in vielen Fällen
als nachteilig, nämlich immer dann, wenn man eine zumindest praktisch kontinuierliche
Messung durchführen will oder wenn die Unterbringung einer Vielzahl von Ableitungen,
gabeln und Meßeinrichtungen Schwierigkeiten bereitet. Dies ist beispielsweise dann
der Fall, wenn man bei verkehrsphysiologischen Untersuchungen Reaktionen des Kreislaufs
des Fahrers bei verschiedenen Verkehrsbedingungen testen will. Hier ist man daran
interessiert, möglichst schnell und kontinuierlich Meßwerte zu erhalten, die die
Reaktion des Körpers des Fahrers beschreiben, und dies mit einer Meßanordnung, die
einen nur geringen Aufwand
erfordert und nicht, wie ein üblicher
Blutdruckmesser, Einfluß auf die Gefäße hat.
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Es ist bekannt, daß die Pulswellenlaufzeit, also der zeitliche Abstand
zwischen einer bestimmten Stelle im EKG einerseits und dem Eintreffen der Pulswelle
an einer bestimmten Stelle des Körpers andererseits, im wesentlichen durch den Blutdruck
bestimmt wird, wenn man einmal von Einflüssen der Änderungen des Tonus der Gefäßmuskulatur
absieht. Bekannte Anordnungen zur Messung dieser Pulswellenlaufzeit oder ihres Kehrwerts,
der Pulswellengeschwindigkeit, sind aber derart kompliziert aufgebaut, daß sie in
vielen Anwendungsfällen nicht Einsatz finden können, insbesondere nicht bei den
oben genannten physiologischen Messungen an einem Fahrer, wie sie beispielsweise
in einem Pahrsimulator ausgeführt werden können. Die bekannten Anordnungen enthalten
nämlich Infratongeräte, die am Arm der Versuchsperson angebracht werden und die
Schallreflexion an den Aderwänden erfassen; anschließend erfolgt eine digitale Auswertung
unter Verwendung eines Rechners.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung der eingangs
genannten Art, also eine solche zur Ermittlung der Pulswellenlaufzeit, zu schaffen,
die infolge ihres geringen Aufwands und der Vermeidung von Rückwirkungen auf den
Körper der Meßperson auch unter extremen Meßbedingungen, wie sie beispielsweise
bei den verkehrsphysiologischen Untersuchungen vorliegen können, eingesetzt werden
kann. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß
Mittel zur Gewinnung erster elektrischer Impulse konstanter Dauer aus den R-Zacken
und zweiter elektrischer Impulse konstanter Dauer aus den Anfängen der Pulswellen
in einem vom Ort der Ableitung entfernten Körperteil ausgangsseitig mit den Eingängen
einer Subtraktionseinheit in Verbindung stehen, die Differenzimpulse
mit
von der jeweiligen zeitlichen Überdeckung der ersten und zweiten Impulse abhängiger
Impulsbreite erzeugt sowie über einen ersten Integrator mit einem Eingang einer
Dividiereinheit in Verbindung steht, vor deren anderen Eingang eine Einrichtung
zur Gewinnung eines der jeweiligen Pulsfrequenz entsprechenden Analogsignals geschaltet
ist.
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Zum Feststellen des Zeitpunkts des Aussendens der Pulswelle wird das
EKG mit einer einfachen Ableitung, z.B. der bipolaren Brustwandableitung, abgenommen.
Die R-Zacke des EKG fällt in den beginnenden Druckanstieg im Ventrikel und liegt
eine sehr kurze und konstante Zeit vor dem Aussenden der Pulswelle, so daß sie als
Maß für den Beginn der Pulswelle genommen werden kann. Diese R-Zacken des EKG werden
also in der erfindungsgemäßen Meßanordnung in erste elektrische Impulse konstanter
Dauer umgewandelt.
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Zweite elektrische Impulse konstanter Dauer werden durch die Anfänge
der Pulswellen in einem vom Ort der Ableitung entfernten Körperteil gebildet. Beispielsweise
geschieht dies am Ohrläppchen der Meßperson, wozu eine Durchstrahlungseinrichtung
mit einem fotoelektrischen Empfänger vorhanden sein kann. Um bei dieser Lichtintensitäts-Spannungs-Wandlung
mit Hilfe beispielsweise eines Fotowiderstands einen Impuls mit genügend schnell
ansteigender Flanken zu erhalten, ist es insbesondere im Wege dieser zweiten elektrischen
Impulsgewinnung zweckmäßig, eine ein- oder zweimalige Differenzierung vorzusehen
und den so gewonnenen Impuls zum Ansteuern eines monostabilen Multivibrators mit
Schmitt-Trigger-Eingang zu verwenden.
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Die ersten und die zweiten elektrischen Impulse konstanter Dauer werden
nun in der erfindungsgemäßen-Meßanordnung einer Subtraktionseinheit zugeführt, die
Differenzimpulse bildet mit von der
zeitlichen Überdeckung der ersten
und zweiten Impulse abhängiger Impulsbreite. Aus diesen Differenzimpulsen wird durch
Umsetzung ein analoges Spannungssignal erzeugt, das ein Maß für die Pulswellenlaufzeit
und damit für den Blutdruck darstellt.
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Diese Umsetzung erfolgt durch einen in den Weg der ersten elektrischen
Impulse eingeschalteten, durch einen Tiefpaß#darge stellten Integrator, so daß der
Dividiereinheit ein analoges Spannungssignal zugeführt- wird. Auch im Wege der zweiten
elektrischen Impulse,- und zwar zwischen Subtraktionseinheit und Dividiereinheit,
wird man einen zweiten Integrator vorsehen, so daß beiden Eingängen der Dividiereinheit
analoge Spannungssignale zugeführt werden. In der Dividiereinheit wird demgemäß
ein Zahlenwert, der dem Produkt aus der Zeitspanne zwischen Aussenden der Pulswelle
am Herzen und Eintreffen derselben beispielsweise am Ohr entspricht, und einem Zahlenwert,
der der Pulsfrequenz entspricht, dividiert durch einen Zahlenwert, der der Pulsfrequenz
entspricht, so daß das analoge Ausgangssignal des Dividierers ein Maß für die Pulswellenlaufzeit
ist.
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Man wird die Impulsdauern der ersten und zweiten Impulse derart wählen,
daß auch bei der maximalen Pulszahl, bei der noch eine Messung erfolgen soll, die
Hinterflanken der zweiten Impulse zeitlich in die Abstände zwischen den ersten Impulsen
fallen.
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Das Integral, d.h. der Flächeninhalt, der durch Überlappung der ersten
und der zweiten Impulse gebildeten Differenzimpulse ist verständlicherweise umso
größer, je größer die Verschiebung der beiden Impulse relativ zueinander und damit
die Laufzeit und je größer die Zahl der Impulse und damit die Pulsfrequenz ist.
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Verlangt man beispielsweise, daß die Meßanordnung bei maximal 120
Herzschlägen noch einwandfreie Meßwerte liefern soll, so wird man die Impulsdauer
zu maximal 0,25 Sekunden wählen, so daß bei 120 Pulsschlägen je Minute 0,25 Sekunden
Abstand zwischen
aufeinanderfolgenden Impulsen ist. Dann ist sichergestellt,
daß auch bei der maximalen noch zu verarbeitenden Impulszahl die Differenzimpulse
nicht ineinander übergehen, sondern noch aufgelöst erscheinen.
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Weitere erfindungswesentliche Merkmale werden im folgenden anhand
der Figur beschrieben, die den Schaltplan für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
wiedergibt. Auf eine ins Einzelne gehende Darstellung der Schaltungen der einzelnen
Schaltungsbausteine kann verzichtet werden, da sie handelsüblich sind.
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Mit 1 und 2 sind Klemmen zum Anschluß einer Ableitung, vorzugsweise
der bipolaren Brustwandableitung, zur Gewinnung des EKG a bezeichnet, dessen Verlauf
als Spannung u1 in Abhängigkeit von der Zeit t oberhalb der Klemmen 1 und 2 angedeutet
ist. Als charakteristisches Merkmal des EKG werden die R-Zacken zur Gewinnung von
ersten elektrischen Impulsen konstanter Dauer über das Differenzierglied 3 dem monostabilen
Multivibrator 4 mit Schmitt-Trigger-Eingang zugeführt, an dessen Ausgang 5 die ersten
elektrischen Impulse konstanter Dauer anstehen. Diese Impulse sind in Form des Spannungsverlaufs
U1 über der Zeit t oberhalb der Ausgangsklemme 5 angedeutet. Die Impulsdauer t1
ist konstant. Diese ersten elektrischen Impulse werden dem einen Eingang der Subtraktionseinheit
6 zugeführt.
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Die Klemme 7 ist verbunden mit dem Ausgang des fotoelektrischen Empfängers,
beispielsweise eines Fotowiderstandes, einer Durchstrahlungseinrichtung, die beispielsweise
die Lichtdurchlässigkeit eines Ohrläppchens der Meßperson erfaßt. Diese Lichtdurchlässigkeit
zeigt an, wann die Pulswelle an diesem Körperteil ankommt. Der Verlauf der entsprechenden
Spannung u2 über der Zeit t ist nahe der Klemme 7 angedeutet. Besonders markant
ist der Wendepunkt A, der den Beginn der Pulswelle am Ohr wiedergibt. Um hier einen
möglichst steilen Anstieg der Kurve zu erhalten,
erfolgt in der
Einheit 8 eine zweifache Differentiation der Kurve, und der entstehende Spannungsanstieg
dient zum Ansteuern des monostabilen Multivibrators 9, der ebenfalls mit einem Schmitt-Trigger-Eingang
versehen ist. Demgemäß stehen am Ausgang 10 dieses Multivibrators 9 zweite elektrische
Impulse, die durch die Spannung U2 in Abhängigkeit von der Zeit t wiedergegeben
sind. Da der Multivibrator 9 so ausgelegt ist, daß die zweiten elektrischen Impulse
dieselbe Zeitdauer wie die ersten Impulse, also t1, besitzen, sind die in den Spannungsverläufen
U1 und U2 erzeugten Impulse hinsichtlich Dauer und Amplitude gleich, jedoch gegeneinander
um die Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten der R-Zacken und der Wendepunkte A verschoben.
Diese Zeitverschiebung wird in der Subtraktionseinheit 6 ermittelt, so daß am Ausgang
11 derselben Differenzimpulse entstehen, die durch den Spannungsverlauf U3 über
der Zeit t dargestellt sind. Die Länge dieser Differenzimpulse entspricht also jeweils
der zeitlichen Verschiebung zwischen R und A.
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Man erkennt, daß die Spannung U3 auch negative Impulse enthält.
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In diesem Ausfiihrungsbeispiel ist der Subtraktionseinheit 6 daher
der Vollwellengleichrichter 12 nachgeschaltet, so daß man eine Spannung U3' an seinem
Ausgang 13 erhält, die nur positive Impulse aufweist. Diese Impulse werden mittels
des ersten Tiefpasses 14 integriert, an dessen Ausgang 15 demgemäß eine Analogspannung
U4 steht, die dem Produkt von Pulswellenlaufzeit und Pulsfrequenz entspricht. Die
Spannung U4 wird dem Zähler-Eingang Z der Dividiereinheit 16 zugeführt, an deren
Ausgang das Meßgerät 17 angeschlossen ist.
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Nun ist man nicht an dem genannten Produkt, sondern allein an der
Pulswellenlaufzeit interessiert. Zu diesem Zweck werden die zweiten elektrischen
Impulse, d.h. die Spannung U2, in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls über einen
integrierenden zweiten
Tiefpaß-18 dem Nenner-Eingang N der Dividiereinheit
16 nach Gleichrichtang in Form der Spannung U5 zugef#ilirt. Den Ausgang der Dividiereinheit
16 bildet dann eine analoge Spannung, die ein Maß für die Pulswellenlaufzeit ist
und an dem Spannungsmesser-17 angezeigt wird Wie bereits ausführlich dargelegt,
wird man die Impulsbreite t1 so groß wählen, daß auch bei--der höchsten Pulsfrequenz,
bei der die Meßanordnung noch einwandfrei arbeiten soll, die hinteren Flanken der
zweiten elektrischen Impulse (Spannung U2) noch in den Zwischenraum zwischen aufeinanderfolgenden
ersten elektrischen Impulsen (Spannung U1) fallen.
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Das Meßgerät 17 kann in'Zeiteinheiten, z.B. Millisekunden, geeicht
sein und zeigt die Pulswellenlaufzeit praktisch kontinuierlich an. Es wird nämlich
bei jedem Herzschlag eine Messung durchgeführt, d.h. in den besonderes interessierenden
Untersuchungsphasen mit höherer Pulszahl ergibt sich eine Vielzahl von Neßergebnissen
je Minute.
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Verständlicherweise kann, ggf. zusätzlich zu dem Meßinstrument 17,
an"den'Ä'usgang der Dividiereinheit 46 auch eine Registriereinheit, beis-pieisweise-ein
Schreiber, angeschlossen-sein. Ein weiterer Vortëil-der erfindungsgemäßen Meßanordnung
besteht darin, daß sie auch zur Registrierung der Pulswellenlaufzeit bzw.
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Pulswellengeschwindigkeit auf digitalem Wege geeignet ist.-Hierzu
wird an den Ausgang 11 des durch-einen üblichen Operationsverstärker gebildeten
Subtraktionsgliedes 6 ein handelsüblicher Universalzähler angeschlossen.
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Zur Gewinnung der dem Nenner-Eingang N der Dividiereinheit 16 zuge£§hrten
elektrischen Größe kann natürlich auch die Spannung U1 dienen, da es hier lediglich
darauf ankommt, ein der Pulsfrequenz entsprechendes Signal zu gewinnen.