DE2460839C3 - Meßanordnung für die Pulswellenlaufzeit einer Meßperson - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung gemäß «> dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

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 fc^r> Vielzahl von Ableitungen, Kabeln 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 erhalfen, 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

Wie beispielsweise die FR-PS 15 31 412 belegt, ist es 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.

Aus der genannten FR-PS, der US-PS 37 34 086 und einer Arbeit in »Med. & biol. Engineering« Vol. 9, pp. S. 125—138, Pergamon Press, 1971, Printed in Great Britain, bekannte Meßanordnungen sowie die Anordnung nach der DE-OS 25 34 408, die im Falle der Patenterteilung als älteres Recht zu werten ist, arbeiten grundsätzlich nach dem Prinzip, die Zeitdifferenz zwischen einem aus der R-Zacke und einem aus der PulsweHe gewonnenen Signal entweder analog mittels • einer Sägezahnspannung oder digital durch Impulszählung zu messen. Dieses Prinzip verlangt aber relativ komplizierte Mittel zur Weiterleitung und Auswertung nur desjenigen Analog- bzw. Impulszahlenwertes, der im Zeitpunkt des Auftretens des aus der Pulswelle abgeleiteten Signals vorliegt. Demgemäß ergibt sich zumindest bei Fehlen zusätzlicher Einrichtungen keine dauernde bzw. kontinuierliche Anzeige der Pulswellenlaufzeit bzw. des Blutdrucks. Bei der Umsetzung der Zeitspanne in einen analogen Wert unter Verwendung einer Sägezahnspannung, also eines Kondensators, geht auch die Temperaturabhängigkeit der Spannungshöhe des Kondensators in die Meßgenauigkeit ein.

Den Nachteil eines für die praktische Anwendung unvertretbar großen Aufwands weist auch das aus der DE-OS 19 05 620 bekannte Gerät zur Messung der Pulswellengeschwindigkeit auf, das mit Ausnutzung des Dopplereffekts und demgemäß Frequenz-Analogspannungs-Wandlern arbeitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung der eingangs genannten Art, also eine solche zur Ermittlung der Pulswelleniaufzeit, 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 und trotz geringen Aufwands eine kontinuierliche Anzeige liefert. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Hauptanspruchs.

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 Pulsvvelle, 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 elektri- < he Impulse konstanter Dauer umgewandelt.

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 Flanktii 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 Schmiit-Trigger-Eingang zu verwenden.

Die ersten und die zweiten elektrischen Impulse konstanter Dauer weitien 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.

Diese Umsetzung erfolgt durch einen in den Weg der ersten elektrischen Impulse eingeschalteten, durch einen Tiefpaß dargestellten 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 Prodnkt 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.

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. Das Integral, d. h. der Flächeninhalt, der durch Überlappung der ersten und der zweiten Impulse gebildeten Differenzimpulse ist verständlicherweise um so 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. 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.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Figur beschrieben, die einen Schaltplan wiedergibt. Auf eine ins einzelne gehende Darstellung der Schaltungen der einzelnen Schaltungsbausteine kann verzichtet werden, da sie handelsüblich sind.

Mit 1 und 2 sind Klemmen zum Anschluß einer Ableitung, vorzugsweise der bipolaren Brustwandableitung, zur Gewinnung des EKG a bezeichnet, dessen Verlauf als Spannung u I 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 ersien elektrischen impulsen konstanter Dauer über das Differenzierglied 3 dem moiiostabilen Multivibrator 4 mit Schmitt-Trigger-Eingsng zugeführt, an dessen Ausgang 5 die ersten elektrischen Impulse konstanter Dauer anstehen. Diese Impulse sind in Form des Spannungsverlaufs U 1 über der Zeit t oberhalb der Ausgangsklemme 5 angedeutet. Die Impulsdauer 11 ist konstant. Diese ersten elektrischen Impulse werden dem einen Eingang der Subtraktionseinheit 6 zugeführt.

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 u 2 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 stellen 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 mi' einem Schmitt-Trigger-Eingang versehen ist. Demgemäß stehen am Ausgang 10 dieses Multivibrators 9 zweite elektrische Impulse, die durch die Spannung UT. in Abhängigkeit von der Zeit f wiedergegeben sind. Da der Multivibrator 9 so ausgelegt ist, daß die zweiten elektrischen Impulse dieselbe Zeitdauer wie die ersten Impulse, also 11, besitzen, sind die in den Spannungsverläufen Ui und U2 erzeugten Impulse hinsichtlich Dauer und Amplitude gleich, jedoch gegeneinander um die Zei'.differenz 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 r dargestellt sind. Die Länge dieser Differenzimpulse entspricht also jeweils der zeitlichen Verschiebung zwischen Äund A.

Man erkennt, daß die Spannung U3 auch negative Impulse enthält. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Subtraktionseinheit 6 daher der Vollwellengleichrichter 12 nachgeschaltet, so daß man eine Spannung t/3' 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 UA steht, die dem Produkt von Pulswellenlaufzeit und Pulsfrequenz entspricht. Die Spannung t/4 wird dem Zähler-Eingang Z der Dividiereinheit 16 zugeführt, an deren Ausgang das Meßgerät 17 angeschlossen ist.

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 t/2, in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls über einen integrierenden zweiten Tiefpaß 18 dem Nenner-Eingang N der Dividiereinheit 16 nach Gleichrichtung in Form der Spannung U5 zugeführt. 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 11 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 L/2) noch in den Zwischenraum zwischen aufeinanderfolgenden ersten elektrischen Impulsen (Spannung U1) fallen.

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 besonders interessierenden Untersuchungsphasen mit höherer Pulszahl ergibt sich eine Vielzahl von Meßergebnissen je Minute.

Verständlicherweise kann, ggf. zusätzlich zu dem Meßinstrument 17, an den Ausgang der Dividiereinheit 16 auch eine Registriereinheit, beispielsweise eil Schreiber, angeschlossen sein. Ein weiterer Vorteil de erfindungsgemäßen Meßanordnung besteht darin, dal sie auch zur Registrierung der Pulswellenlaufzeit bzw ι Pulswellengeschwindigkeit auf digitalem Wege geeig net ist. Hierzu wird an den Ausgang 11 des durch einer üblichen Operationsverstärker gebildeten Subtraktions gliedes 6 ein handelsüblicher Universalzähler ange schlossen.

κι Zur Gewinnung der dem Nenner-Eingang N dei Dividiereinheit 16 zugeführten elektrischen Größe kam natürlich auch die Spannung U\ dienen, da es hiei lediglich darauf ankommt, ein der Pulsfrequenz entsprechendes Signal zu gewinnen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Meßanordnung zur Gewinnung einer die Pulswellenlaufzeit einer Meßperson wiedergebenden elektrischen Größe mit einer Ableitung zur Abnahme des Elektrokardiogramms und Einrichtungen zur Gewinnung eines ersten elektrischen Impulssignals aus der R-Zacke desselben, ferner mit Mitteln zur Erfassung der Pulswellen an einem vom Ort der Ableitung entfernten Körperteil und Einrichtungen zur Gewinnung eines zweiten Impulssignals daraus, und mit Erfassung der zeitlichen Verschiebung der ersten und zweiten Impulssignale, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (3, 4; 8, 9) zur Gewinnung erster elektrischer Impulse (UX) konstanter Dauer (t X) aus den R-Zacken (R) und zweiter elektrischer Impulse (U2) ebenfalls konstanter Dauer (t X) aus den Anfängen (A) der Pulswellen (u2) ausgelegt sind und ausgangsseitig mit den Eingängen einer Subtraktionseinheit (6) in Verbindung stehen, die Differenzimpulse (U3) mit von der jeweiligen zeitlichen Überdeckung der ersten (UX) und zweiten Impulse (U2) abhängiger Impulsbreite erzeugt sowie über einen ersten Integrator (14) mit einem Eingang (Z) einer Dividiereinheit (16) in Verbindung steht, vor deren anderen Eingang (N) eine Einrichtung (18) zur Gewinnung eines der jeweiligen Pulsfrequenz entsprechenden Analogsignals (U5) geschaltet ist.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung einen mit den ersten und/oder zweiten elektrischen Impulsen (U 1, U2) gespeisten zweiten und/oder dritten Integrator (18) enthält.

3. Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Subtraktionseinheit (6) und dem ersten Integrator (14) ein Vollwellengleichrichter (12) liegt.

4. Meßanordnung nach einem der AnsDrüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß der Körperteil ein Ohr ist und die Mittel zur Erzeugung der zweiten elektrischen Impulse (U2) eine Durchstrahlungseinrichtung mit einem fotoelektrischen Empfänger enthalten.

5. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Impulse (UX, U2) die gleiche Impulsdauer (t 1) besitzen.

6. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsdauern (t X) der ersten und zweiten Impulse (U X, U2) derart gewählt sind, daß auch bei der maximalen Pulszahl die Hinterflanken der zweiten Impulse (U2) zeitlich in die Abstände zwischen den ersten Impulsen (U X) fallen.