DE2545802C2 - Herzsignaldiskriminator - Google Patents

Description

35

Die Erfindung betrifft einen Herzsignaldiskriminator zum Unterdrücken von gleichzeitig mit dem elektrischen Herzaktionssignal erfaßten periodischen Störsignalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem bekannten Herzsignaldiskriminator dieser Art (Med. & biol. Engng. Vol. 5, 1967, Seiten 57 bis 59) weist die Schaltungsstufe zum Erzeugen des Bezugspegels einen mit dem Ausgang der Verstärkerstufe verbundenen Tiefpaß auf, dessen Ausgang an den einen Eingang eines Gleichstromdifferenzverstärkers angeschlossen ist, der mit seinem anderen Eingang auf einem Bezugspegel gehalten ist. Der Tiefpaß bildet eine Gleichspannung, deren Pegel dem Mittelwert des Gesamtsignals am Verstärkerausgang proportional ist. Diese Gleichspannung wird mittels des Differenzverstärkers unter Bildung eines Schwellwerts verstärkt, dessen Pegel größer als der Spitzenwert der Störsignale aber kleiner als die Amplitude des Herzaktionssignals ist. Am Ausgang des Komparators erscheint dann allein das Herzaktionssignal. Der bekannte Diskriminator erlaubt aber nur das Erfassen von Nutzsignalen, deren Amplitude größer als die der Störsignale ist.

Es ist ferner ein Herzsignaldiskriminator bekannt (US-PS 35 20 295), bei dem das elektrische Herzaktionssignal und die gleichzeitig damit auftretenden periodisehen Störsignale über einen auf die vorherrschende Frequenzkomponente des Herzaktionssignals abgestimmten Bandpaß geleitet werden, um auf diese Weise das Herzaktionssignal gegenüber den Störsignalen hervorzuheben. Bei einem weiteren bekannten Signaldiskriminator (US-PS 37 37 790) liegt das Gemisch aus Nutz- und Störsignalen an dem einen Eingang eines ersten Vergleichers, dessen anderer Eingang mit dem Ausgangssignal einer Rückkopplungs- oder Überwachungsschleife beaufschlagt ist. Zu dieser Schleife gehört ein zweiter Vergleicher, dessen einem Eingang das Signalgemisch zugeht und an dessen anderem Eingang ein mittels eines Spannungsteilers heruntergeteilter Teil des Schleifenausgangssignals anliegt Der zweite Vergleicher gibt ein Ausgangssignal mit konstantem Pegel immer dann ab, wenn das Signal an seinem einen Eingang größer als das Signal an seinem anderen Eingang wird. Mit diesem Ausgangssignal wird ein monostabiler Multivibrator getriggert, dessen Ausgangsimpulsdauer so eingestellt ist, daß sie langer als die Periode aufeinanderfolgender Störsignale aber kürzer als die Nutzsignalperiode ist. Von dem Ausgangssignal des Multivibrators wird eine feste Bezugsspannung subtrahiert, und das so erhaltene Signal wird unter Bildung des Schleifenausgangssignals integriert.

Auch bei den beiden zuletzt geschilderten Signaldiskriminatoren muß die Nutzsignalamplitude größer als die Störsignalamplitude sein. Diese Voraussetzung ist jedoch in der Praxis häufig nicht erfüllt, so z. B. bei Bedarfsherzschrittmachern, bei denen Reizimpulse unterdrückt werden, wenn ein natürlicher Herzschlag rechtzeitig auftritt und vom Schrittmacher als Herzaktionssignal erkannt wird. Die Amplitude dieser Herzaktionssignale kann wesentlich kleiner als die Amplitude von Störsignalen sein, wie sie beispielsweise von netzbetriebenen elektrischen Rasierapparaten und Bohrmaschinen oder von Kraftfahrzeugzündanlagen abgestrahlt werden. Um zu verhindern, daß in solchen Fällen die Reizimpulsabgabe durch die Störsignale gesperrt wird, hat man eine Schutzschaltung vorgesehen, die beim Auftreten derartiger Störsignale den Schrittmacher zu einem Übergang auf einen asynchronen Festfrequenzbetrieb veranlaßt. Dies stellt aber nur eine Notlösung dar, weil es im asynchronen Betrieb zu störenden Wechselwirkungen zwischen den Reizimpulsen und der spontanen Herzaktivität kommen kann und die mit dem Bedarfsbetrieb verbundene Einsparung von Batterieenergie entfällt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Herzsignaldiskriminator der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels dessen Nutzsignale erfaßt und ausgewertet werden können, auch wenn Störsignale mit größerer Amplitude als der Nutzsignalamplitude vorliegen und das Nutzsignal überlagern.

Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen des Kennzeichens des Anspruchs 1 auf überraschend einfache und wirkungsvolle Weise gelöst.

Mit dem Herzsignaldiskriminator nach der Erfindung lassen sich Nutzsignale selbst dann noch erkennen, wenn sie von größeren periodischen Störsignalen ganz überdeckt sind.

Der Herzsignaldiskriminator nach der Erfindung eignet sich insbesondere für Bedarfsherzschrittmacher, und er ist nachstehend in Verbindung mit einem solchen Schrittmacher näher erläutert. Dabei vermeidet er die bei Bedarfsherzschrittmachern gefürchtete volle Sperrung des Schrittmachers oder dessen Übergang auf Asynchronbetrieb. Der Diskriminator ist jedoch auf die Verwendung bei Bedarfsherzschrittmachern nicht beschränkt, sondern überall dort mit Vorteil einsetzbar, wo zwischen externen periodischen Störsignalen und Herzaktionssignalen sicher unterschieden werden soll.

Bevorzugte weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der einzigen

Figur näher erläutert, die ein schematisches Schaltbild eines Teiles eines mit dem erfindungsgemäßen Herzsignaldiskriminator ausgestatteten Bedarfsherzschrittmachers zeigt.

Dem aus einem Gleichrichterteil 20 und einem Detektorteil 21 bestehenden Herzsignaldiskriminator ist ein Vorverstärker 15 vorgeschaltet, der einen von einem Kondensator 22 und einem Widerstand 23 gebildeten Hochpaß, einen invertierenden Verstärker 24 sowie einen von einem Widerstand 25 und einem Kondensator 26 gebildeten Tiefpaß aufweist. Der Verstärker 24 hat nur einen solchen Verstärkungsfaktor, daß Signale erhalten werden, die ausreichen, um die den Herzsignaldiskriminator bildenden Transistoren zu schalten. Das heißt, die vom Verstärker 24 abgegebenen Signale haben eine Amplitude, die kleiner als die von der Stromversorgung des Herzschrittmachers abhängige Höchstamplitude ist.

Ma dem invertierenden Verhalten des Verstärkers 24 erfolgt eine Anpassung der Polarität eines für eine erfaßte R-WeIIe kennzeichnenden Signals an die Polarität der Transistoren, die den Störsignaldiskriminator bilden.

Der Hochpaß 22, 23 wirkt als passive Differentiationsstufe. Statt dessen kann auch der Verstärker 24 als aktive Differentiationsstufe arbeiten, der gegebenenfalls Hoch- und Tiefpässe zugeordnet sind. Mit Ausnahme der von dem Hochpaß ausgeführten differenzierenden Funktion sollen die Hoch- und Tiefpässe nur zeigen, daß in Verbindung mit dem erläuterten Herzsignaldiskriminator bekannte Filterverfahren eingesetzt werden können.

Das an einer Verbindungsstelle 27 auftretende Signal ist kennzeichnend für die zeitliche Änderung der Amplitude des am Herzen erfaßten und über den Kondensator 22 einlaufenden Signals. Die differenzierende Wirkung des Hochpasses 22, 23 ist bekannt. Beispielsweise führt ein vom Herzen kommendes periodisches Störsignal an der Verbindungsstelle 27 zur Ausbildung einer Einhüllenden, deren Dauer mit derjenigen des periodischen Signals übereinstimmt und deren Amplitude kennzeichnend für die Amplitude des periodischen Signals ist. Zum Beispiel stellt das Signal 28 ein differenziertes periodisches 60-Hz-Signal dar, wie es an der Verbindungsstelle 27 auftritt, wobei die geraden Linien, die dieses Signal oben und unten begrenzen, die Einhüllende bilden. Ein einzelner Impuls, beispielsweise eine am Herzen erfaßte R-WeIIe, führt zu einem Impulssignal 29 aii der Verbindungsstelle 27. Das Auftreten eines periodischen Signals und einer R-Welle so führt an der Verbindungsstelle 27 zu einem Signal, wie es bei 30 gezeigt ist.

Das Signal 30 ist eine Hüllkurve mit einer Amplitude, die im wesentlichen durch die Amplitude des periodischen Signals bestimmt ist. Die Dauer des Signals 30 entspricht der Dauer des periodischen Signals. Eine Spitze 31 in der Amplitude des Signals 30 geht auf die gleichzeitige Differentiation des periodischen Signals und einer erfaßten R-Welle zurück.

Die Verbindungsstelle 27 ist an die Basis 35 eines Transistors 36 angeschlossen. Der Kollektor 37 des Transistors 36 ist über einen Widerstand 39 mit einer positiven Sammelleitung 38 sowie über einen Widerstand 41 mit einer negativen Sammelleitung 40 verbunden. Die Basis 43 eines zweiten Transistors 42 ist an eine Verbindungsstelle 44 angeschlossen, die zwischen dem Widerstand 39 und dem Kollektor 37 des Transistors 36 liegt. Der Ernitterübergang 45 des Transistors 42 ist an die positive Sammelleitung 38 und an eine Verbindungsstelle 46 angeschlossen. Die Verbindungsstelle 46 ist ihrerseits an die Basis 47 eines Transistors 48 angeschlossen, dessen Emitter 49 über den Widerstand 41 mit der negativen Sammelleitung verbunden ist. Der Kollektor 50 des Transistors 48 ist mit der positiven Sammelleitung 38 verbunden. Über einen Kondensator 51 ist die Verbindungsstelle 46 an die negative Sammelleitung 40 angeschlossen.

Die Transistoren 36 und 48 bilden einen Differenzverstärker, und sie sorgen in Verbindung mit dem Transistor 42 für eine Gleichrichtung der an der Verbindungsstelle 27 erscheinenden differenzierten Signale. Beispielsweise wird durch ein differenziertes 60-Hz-Signal der bei 28 veranschaulichten Art der Transistor 36 nacheinander zu- und aufgesteuert. Wenn der Transistor 36 Strom führt, wird die Verbindungsstelle 44 negativ ausgesteuert, wodurch der Transistor 42 stromführend gemacht wird. Während der Einschaltdauer des Transistors 42 lädt sich der Kondensator 51 auf, während der Kondensator 5J über Widerstände 53 und 54 entladen wird, wenn der Transistor 42 gesperrt ist. Der kombinierte Widerstandswert der Widerstände 53 und 54 ist so bemessen, daß in Verbindung mit dem Kondensator 51 eine große Zeitkonstante erhalten wird. Daher entlädt sich der Kondensator 51 während der Ausschaltdauer des Transistors 42 sehr langsam. Die Erfassung eines periodischen Störsignals bewirkt daher, daß sich der Kondensator 51 auf einen Bezugspegel auflädt, der kennzeichnend für das erfaßte periodische Signal ist. Für nichtperiodische Signale oder periodische Signale, deren Frequenz so niedrig ist, daß sich der Kondensator 51 während der Sperrdauer des Transistors 42 entladen kann, ist der von dem Kondensator 51 gebildete Bezugspegel gleich Null.

Wenn ein periodisches Störsignal und Herztätigkeit, beispielsweise in Form einer R-Welle, erfaßt werden, erscheint an der Verbindungsstelle 27 das bei 30 veranschaulichte Signal mit der Spitze 31. Vor dem Auftreten der erfaßten Herztätigkeit lädt sich der Kondensator 51 auf den Bezugspegel auf, der auf das periodische Signal zurückgeht. Dieser Bezugspegel ist bei 30' gezeigt. Nach dem Auftreten der Spitze 31 an der Verbindungsstelle 27 lädt sich der Kondensator 51 auf einen zweiten, über dem Bezugspegel 30' liegenden Pegel auf, daß der Gleichrichterteil 20 des Störsignaldiskriminators ein an der Verbindungsstelle 27 auftretendes differenziertes Signal aufnimmt und in eine Gleichspannung an der Verbindungsstelle 46 umwandelt; diese Gleichspannung hat einen für erfaßte periodische externe Störsignale charakteristischen Bezugspegel sowie einen zweiten Pegel, der kennzeichnend für die erfaßte Herztätigkeit ist.

Die Verbindungsstelle 46 ist über einen Widerstand 56 an eine Verbindungsstelle 55 angeschlossen. Die Verbindungsstelle 55 steht ihrerseits über einen Kondensator 57 mit der negativen Sammelleitung 40 in Verbindung, und sie ist an die Basis 58 eines Transistors 59 angeschlossen. Der Kollektor 60 des Transistors 59 ist mit der positiven Sammelleitung 38 verbunden, während der Emitter 61 über einen Widerstand 62 mit der negativen Sammelleitung 40 in Verbindung steht. Die Widerstände 53 und 54 bilden einen Spannungsteiler, dessen Verbindungsstelle 63 an die Basis 64 eines Transistors 65 angeschlossen ist. Der Kollektor 66 des Transistors 65 ist an eine Verbindungsstelle 67 angeschlossen, und er steht über dem Widerstand 62 mit der negativen Sammelleitung 40 in Verbindung. Die

Verbindungsstelle 67 ist über einen Widerstand 69 an die positive Leitung 38 angekuppelt; sie ist ferner an die Basis 70 eines Transistors 71 angeschlossen. Der Emitter 72 des Transistors 7t ist mit der positiven Sammelleitung 38 verbunden, während sein Kollektor 73 mit einem Rückstellsignalgenerator 74 in Verbindung steht.

Die Transistoren 59 und 65 bilden einen Differenzverstärker, der den Transistor 71 aufsteuert, wenn die an die Basis 64 des Transistors 65 angelegte Spannung größer als die der Basis 58 des Transistors 59 zugeführte Spannung ist. Durch das Einschalten des Transistors 71 entsteht ein Trigger-Signal, das an den Rückstellsignalgenerator 74 geht, bei dem es sich um einen monostabilen Multivibrator mit vorgegebener Refraktärperiode handelt. Das Ausgangssignal des Rückstellsignalgenerators 74 kann gegebenenfalls auf den von der Stromversorgung des Herzschrittmachers vorgegebenen Höchstwert verstärkt werden; dieses verstärkte Signal dient dann der Rückstellung des Impulsgenerators des Herzschrittmachers, und es verhindert die Erzeugung eines Reizimpulses. Während der Refraktärperiode des Rückstellsignalgenerators 74 werden erfaßte nichtperiodische oder niederfrequente Signale blockiert und an einer Sperrung des Impulsgenerators gehindert. Rückstellsignalgeneratoren mit einer solchen Refraktärperiode sind bekannt.

Die an der Verbindungsstelle 46 auftretenden Signale werden der Basis 58 des Transistors 59 über den Widerstand 56 zugeführt; sie gelangen über den Widerstand 53 zur Basis 64 des Transistors 65. Der Kondensator 57 hält jedoch die Verbindungsstelle 55 und damit die Basis 58 des Transistors 59 auf dem bisherigen Pegel, wodurch das Anlegen einer an der Verbindungsstelle 46 auftretenden Spannungsänderung an die Basis 58 verzögert wird. Wenn ein rein periodisches Signal erfaßt wird, liegt die Verbindungsstelle 46 auf dem Bezugspegel; die betreffende Spannung wird der Basis 58 zugeführt, während eine Spannung, die um einen vorbestimmten Betrag kleiner als der Bezugspegel ist, an die Basis 64 angelegt wird. Unter diesen Bedingungen bleibt der Transistor 65 gesperrt. Erscheint die Spitze 31 an der Verbindungsstelle 27. wird diese Spitze gleichgerichtet: sie tritt als Spitze 31' an der Verbindungsstelle 46 auf. Diese gleichgerichtete Spitze wird der Basis 64 zugeführt; ihr Anlegen an die Basis 58 wird durch den Kondensator 57 verzögert.

Wenn die Differenz zwischen der Spitze 31' und dem Bezugspegel 30' größer als der Spannungsabfall am Widerstand 53 ist. wird der Transistor 65 stromführend: die Verbindungsstelle 67 wird ins Negative ausgesteuert. Wenn die Verbindungsstelle 67 negativ wird, wird der Transistor 71 stromführend; er gibt ein Trigger-Signal an den Rückstellsignalgenerator 74, wodurch ein Impulsgeneratorrückstellsignal erzeugt und ein Reizimpuls des Impulsgenerators gesperrt wird, Aus vorstehendem folgt, daß der Störsignaldiskriminator mit dem Gleichrichterteil 20 einen ersten, für externe periodische Störsignale kennzeichnenden Spannungspegel 30' sowie einen zweiten Spannungspegel 3Γ bildet, der kennzeichnend für die Herztätigkeit ist. Die Spannungspegel werden von der gleichrichtenden Schaltungsanordnung 20 anhand von differenzierten Signalen gebildet. Der Detektorteil 21 spricht auf die gleichgerichteten Spannungspegel an, und er liefert an den Rückstellsignalgenerator 74 einen Trigger-Impuls wenn ein Spannungsnegel auftritt, der kennzeichnend für eine erfaßte Herztätigkeit ist. Ein mit dem Störsignaldiskriminator ausgestatteter Bedarfsschrittmacher arbeitet daher selbst bei Vorhandensein vor externen periodischen Störsignalen weiter im Bedarfsbetrieb, solange die Störsignale nicht so groß sind, daß sich der Kondensator 51 auf den Pegel der Sammelleitung 38 auflädt. Außerdem sperren nichtperiodische oder niederfrequente Störsignale einen Reizimpuls nur wenn der von dem Gleichrichterteil 20 des Störsignaldiskriminators gebildete Spannungspegel 31' den Bezugsspannungspegel 30' um einen Betrag übertrifft der größer als der Spannungsabfall am Widerstand 53 ist, und dies auch dann nur, wenn ein Trigger-Signal außerhalb der Refraktärperiode des Rückstellsignalgenerators 74 ausgelöst wird. Am günstigsten ist es, alle erfaßten Signale auf einen Pegel zu verstärken, der unter dem von der Stromversorgung des Schrittmachers vorgegebenen Höchstwert liegt, sowie aufgrund der Folgefrequenz und Amplitude dieser verstärkten Signale den beschriebenen Störsignaldiskriminator ansprechen zu lassen.

Die Polarität der verschiedenen gezeigten und beschriebenen Schaltungskomponenten läßt sich im Bedarfsfall ändern. Durch Änderung des Widerstandes 53 kann die Empfindlichkeit des Störsignaldiskriminators beeinflußt werden. Wird der Widerstand 53 größer gemacht, ist eine R-WeIIe, ein nichtperiodisches erfaßtes Störsignal oder ein niederfrequentes periodisches Signal von größerer Amplitude erforderlich, um den Rückstellsignalgenerator 74 auszulösen. Der beschriebene Störsignaldiskriminator kann die Erzeugung eines Herzreizimpulses bei Auftreten einer R-WeIIe verhindern, die von einem externen periodischen Störsignal überdeckt ist, das um ein Vielfaches größer als die R-Welle selbst ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Herzsignaldiskriminator zum Unterdrücken von gleichzeitig mit dem elektrischen Herzaktionssigna! erfaßten periodischen Störsignalen, deren Frequenz im Vergleich zu den im Herzaktionssignai auftretenden Frequenzanteilen höher ist, mit einer Verstärkerstufe, einer Schaltungsstufe zum Erzeugen eines durch die Amplitude des Störsignals bestimmten Bezugspegels sowie einem die Ausgangssignale der Verstärkerstufe und der Schaltungsstufe vergleichenden Komparator, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerstufe (22 bis 57) die erfaßten Signale nicht nur verstärkt, sondern auch gleichrichtet und bedämpft.

2. Herzsignaldiskriminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerstufe (22 bis 57) einen Kondensator (51) und eine Ladestufe (36, 42, 48) aufweist, die den Kondensator (51) aufgrund der periodischen Störsignale auf den Bezugspegel und aufgrund des Herzaktionssignals auf einen erhöhten Pegel auflädt.

3. Herzsignaldiskriminator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerstufe (22 bis 57) eine Differentiationsstufe (22,23,24) und eine Steuerstufe (36, 42, 48) aufweist, die den Ladcpegel des Kondensators (51) in Abhängigkeit des Ausgangssignals der Differentiationsstufe steuert.

4. Herzsignaldiskriminator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstufe einen Differenzverstärker (36,48) aufweist.