DE2546856B2

DE2546856B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Frequenz bzw. Periodendauer eines Signals

Info

Publication number: DE2546856B2
Application number: DE2546856A
Authority: DE
Inventors: Yasuhito Kunitachi Tokio Takeuchi (Japan)
Original assignee: Yokogawa Hewlett Packard Ltd
Current assignee: Hewlett Packard Japan Inc
Priority date: 1974-10-31
Filing date: 1975-10-18
Publication date: 1980-04-17
Also published as: CH608620A5; FR2289917A1; DE2546856C3; DE2546856A1; GB1503169A; SE7512149L; US3991365A; JPS5162764A; FR2289917B1; JPS567592B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Frequenz bzw. Periodendauer der Grundschwingung eines annähernd periodischen Signals gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche und 16.

Annähernd periodische Signale mit statistisch verteilten Spektralanteilen treten in vielen Bereichen der Technik und der Natur auf. Insbesondere von biologischen Systemen stammende periodische Signale, z. B. ^v;mti Herzschlag eines Menschen abgeleitete Signale sind meistens nur annähernd periodisch und weisen eine von Periode zu Periode wechselnde Kurvenform auf.

Ein besonderes Problem der medizinischen Meßtechnik ist die Überwachung der Herztätigkeit des ungeborenen Kindes vor und während der Geburt. Für die Meßweiterfassung stehen dabei im wesentlichen vier Methoden zur Verfügung, nämlich die direkte Elektrokardiographie, die abdominale Eiektrokardiographie, die Erfassung der akustischen Herzsignale und die Ultraschallmessung nach dem Dopplerprinzip. Die besten Resultate bei gleichzeitig geringem Signalvtrarbeitungsaufwand liefert dabei die direkte Elektrokardiographie, bei der eine Elektrode am Kopf des Kindes angesetzt wird. Das Anbringen dieser Elektrode ist

jedoch tin komplizierter Vorgang, der nicht von klinischem Hilfspersonal durchgeführt werden kann.

Die Ultraschallmessung ist dagegen auch für ungeschultes Personal relativ einfach durchzuführen und liefert wertvolle Information über die Herztätigkeit. Nachteilig ist bei dieser Methode jedoch, daß das erhaltene Signal aus mehreren Komponenten verschiedener Frequenzbereiche aufgebaut ist, die die Erkennung der exakten Grundperiodendauer erschweren. Die genaue Messung der Grundperiodendauer ist aber erforderlich, da aus ihr die momentane Herzschlagfrequenz abgeleitet werden kann. Das Ultraschallsignal hat im wesentlichen drei Anteile, nämlich das Blutfluüsignal (Frequenzbereich bis 500 Hz), das Klappensignal (Frequenzbereich 400 bis 1000 Hz) und das Muskelsignal (Frequenzbereich 150 bis 400 Hz). Die angegebenen Frequenzbereiche sind die Dopplerverschiebungen bei einer Ultraschallfrequenz von 2,1 MHz. Das Blutflußsignal und das Muskelsignal haben stark zerklüftete Hüllkurven und sind daher für die Gewinnung von Triggerzeitpunkten nicht geeignet. Das Klappensignal ist dagegen aufgrund seiner Form besser für die Gewinnung von Triggerzeitpunkten geeignet. Dazu muß das Ultraschallsignal entsprechend gefiltert und anschließend zur Gewinnung der Hüllkurve gleichgerichtet werden.

Schwierigkeiten ergeben sich aber auch hier, und zwar dadurch, daß das Herz mehrere Klappen hat und jede dieser Klappen während einer Herzschlagperiode sowohl schließt als auch öffnet. Außerdem ergeben sich durch die Bewegung des Fötus Strukturänderungen des Signals und starke Amplitudenschwankungen.

Es ist bekannt, die Periodendauer kompliziert geformter bzw. von Fremdanteilen stark überlagerter Signale mittels des Verfahrens der Autokorrelation zu bestimmen. Ein Gerät, das diese Korrelation in Echtzeit durchführen kann ist z. B. beschrieben in »Hewlett-Pakkard Journal«, November 1969, Seite 9 bis 15. Dieses Gerät ist jedoch zur Autokorrelation sehr langer Signalabschnitte eingerichtet und daher umfangreich und teuer.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine sehr genaue Messung der Periodendauer bzw. Frequenz des Signals bei geringem gerätetechnischem Aufwand in Echtzeit ermöglicht. Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen 1 und 16 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Autokorrelation über Signalabschnitte, deren Länge etwa eine Periodendauer beträgt, bereits die Bestimmung der Frequenz bzw. Periodendauer des Signals in Echtzeit ermöglicht. So kann nach Ablauf einer Periode bereits deren Dauer angezeigt werden. Da sich aufeinanderfolgende Perioden in ihrer Länge normalerweise nicht wesentlich unterscheiden, kann die jeweils zuvor gemessene Periodendauer zur Nachstellung der Korrelationslänge benutzt werden. Auf diese Weise können insbesondere nach dem Dopplerprinzip aus dem fötalen Herzschlag gewonnene Ultraschallsignale als Grundlage für eine sehr genaue Herzschlagsfrequenzmessung benutzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung erläutert In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 das Gesamt-Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Periodendauer- bzw. Frequenzmessung;

Fig. 2 ein detailliertes Blockschaltbild der in Fig. I enthaltenen Signalaufbereitungseinrichtung;
-, Fig. 3 ein Blockschaltbild des in Fig. I enthaltenen Korrelator;

Fig.4 das Schaltbild des in Fig. 1 enthaltenen Spitzenwert-Detektors;

F i g. 5A und 5B Kurvenformen zur Erläuterung der in Arbeitsweise des Spitzenwert-Detektors nach F i g. 4;

Fig. 6 ein Blockschaltbild der in Fig. 1 enthaltenen Rechenschaltung zur Ableitung der Signalfrequenz aus dem Abstand der Spitzenwerte in der Autokorrelationskurve;

i) Fig. 7 Kurvenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung nach F i g. 6;

Fig. 8 ein Blockschaltbild der in Fig. 1 enthaltenen Steuerungseinrichtung;

F i g. 9 Kurvenformen zur Erläuterung der Signalauf- >n bereitung;

F i g. 10 die in F i g. 2 enthaltene Koeffizientenmatrix zusammen mit der entsprechenden, in Fig. 8 enthaltenen Steuerschaltung;

Fig. 11 eine Kurvenform zur Erläuterung der i-, optimalen Auswahl des Korrelationsintervalls;

Fig. 12 Kurvenformen zur Erläuterung der Maximalwertverschiebung der Spitzenwerte der Autokorrelationskiirve;

Fig. 13 die Kurvenform eines abdominalen Elektrokardiogramms;und

Fig. 14 eine Kurvenform zur Erläuterung der Verschiebung des Autokorrelationsbeginns auf einen negativen Zeit verschiebungswert.

In Fig. 1 ist schematisch das Herz 1 eines Fötus 2 dargestellt, der sich im Mutterleib 3 befindet. Mit 4 ist ein Ultraschallaufnehmer bezeichnet, der die vom Herzen 1 reflektierten Ultraschallsignale aufnimmt und über eine geeignete Zwischenschaltung 5 an eine Signalaufbereitungseinrichtung 10 weiterleitet. Zur

4Ii Vereinfachung der Darstellung ist der Ultraschallsender, dessen Frequenz im vorliegenden Beispiel 2.1 MHz beträgt, nicht dargestellt. Die Signalaufbereitungseinrichtung 10 wird weiter unten näher beschrieben.

Das in der Signalaufbereitungseinrichtung 10 aufbe-

4, reitete Signal gelangt in den Korrelator 20, der eine Autokorrelationskurve an einen Spitzenwertdetektor 30 abgibt, welcher den Abstand zwischen dem Ursprungospitzenwert und dem ersten wesentlichen Spitzenwert der Autokorrelationskurve mißt. Das diesen Abstand darstellende Signal wird in einen Kehrwertbildner 40 gegeben, der aus dem Zeitsignal ein der Herzschlagfrequenz entsprechendes Signal erzeugt. Korrelator 20, Spitzenwertdetektor 30 und Kehrwertbildner 40 sind weiter unten näher beschrieben.

Das der Herzschlagsfrequenz entsprechende Signal wird einer Anzeige 6 und einem Schreiber 7 zugeführt, von denen es optisch angezeigt bzw. aufgezeichnet wird.

Mit 50 ist eine Steuereinrichtung bezeichnet, die, wie

weiter unten beschrieben ist, auf bestimmte Bedingungen in den Schaltungen 10, 20, 30 und 40 anspricht und dementsprechend in diesen Schaltungen bestimmte Parameter einstellt bzw. optimiert. Die Steuereinrichtung 50 schaltet auch die Anzeige 6 und den Schreiber 7 ab, wenn sich aus den festgestellten Bedingungen ergibt, daß eine fehlerhafte Anzeige bzw. Aufzeichnung erfolgen würde.

In F i g. 2 ist die in F i g. 1 mit 10 bezeichnete Signalaufbereitungseinrichtung im Blockschaltbild dar-

gestellt. Das Eingangssignal 101 wird zunächst durch ein Bandpaßfilter 103 geleilet, welches im vorliegenden Beispiel einen F-equenzbereich von 300 bis 1000 Hz durchläßt, so daß das Klappensignal ganz durchgelassen wird, das Blutflußsignal und das Muskelsignal jedoch ganz bzw. teilweise unterdrückt werden. Das Ausgangssigna¹ des Bandpaßfilters 103 wird in einem Verstärker 105 mit spannungsgesteuertem Verstärkungsfaktor verstärkt, in einem Hüllkurvendetektor 107 gleichgerichtet, in einem Filter 109 geglättet und dann einem nichtlinearen Dynamikumformer 111 zugeführt. Die Bauteile 105, 107, 109 und 111 bilden zusammen mit einer Rückkopplungssteuerung 113 eine erste Regelschleife 110. Der Verstärker 105 wird über ein opto-elektronisches Bauelement derart gesteuert, daß sein Verstärkungsfaktor annähernd entsprechend einer negativen Exponentialfunktion vom Rückkopplungssignal abhängt.

Das Filter 109 ist vorzugsweise ein Tiefpaß mit einer oberen Grenzfrequenz von 50 bis 70 Hz, so daß die hörbaren Frequenzen im wesentlichen ausgefiltert werden.

Der nichtlineare Dynamikwandler 111 ist ein quasilogarithmischer Wandler, der die niedrigen Amplituden des Eingangssignals expandiert und die größeren Amplituden komprimiert. Dies hat den Vorteil, daß die Struktur des Signals für die spätere Autokorrelation verbessert wird, da es bei der Autokorrelation nicht so sehr auf die Betonung von Spitzenwerten des Eingangssignals ankommt, sondern mehr auf die Ähnlichkeit der Gesamtstruktur des Signals von einer Periode zur anderen.

Das Ausgangssignal des Dynamikwandlers 111 wird u.a. der Rückkopplungssteuerung 113 zur Erzeugung des Rückkopplungssignals der ersten Regelschleife 110 zugeführt. Da sich das negativ exponentielle Verhalten des Verstärkers 105 und das logarithmische Verhalten des Dynamikwandlers 111 gegenseitig aufheben, ergibt sich insgesamt ein lineares Regelverhalten. Das Ausgangssignal des Dynamikwandlers 111 wird so für beliebige Eingangspegel im wesentlichen konstant gehalten.

Die effektive Zeitkonstante der ersten Regelschleife 110 beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen 1,5 und 2,2 see, ist also größer als die größtmögliche Herzschlagperiode. Damit ist sichergestellt, daß die Kurvenform während einer Periode durch die Regelung nicht beeinträchtigt wird. Ausgeregelt werden nur Pegelunterschiede zwischen aufeinanderfolgenden Perioden.

Das Ausgangssignal des Dynamikwandlers 111 wird zwei verschiedenen Bandpaßfiltern 115 und 117 zugeführt, deren Ausgangssignale in einem gewichtenden Addierer 119 mit variablen Koeffizienten für seine Eingangssignale wieder gemischt werden. Der Addierer 119, dessen Koeffizienten über einen Eingang 127 veränderbar sind, wird weiter unten in Verbindung mit Fig. 10 näher beschrieben.

Die Bandpaßfilter 115 und 117 lassen die Frequenzbereiche von 15 bis 50 Hz bzw. von 3,3 bis 15 Hz durch. Damit wird die Grundfrequenz des fötalen Herzschlags, die zwischen 0,8 und 3,5 Hz liegt unterdrückt. Dies ist jedoch nicht problematisch, da die volle Information über die Periodizität in jedem Bereich des Frequenzspektrums vorhanden ist Eine fehlende Unterdrückung der Grundfrequenz wäre jedoch bedenklich, da die Grundwelle mit ihrem hohen Pegel den Korrelator veranlassen könnte, in die Sättigung zu gehen.

Das Ausgangssignal des Addierers 119 wird einer zweiten Regelschleife 120 zugeführt, die wie die erste Regelschleife 110 einen Verstärker 121 mit spannungsgesteuertem Verstärkungsfaktor, einen Hüllkurvendetektor 123 und eine Rückkopplungssteuerung 125 aufweist Damit wird am Ausgang 129 der Signalaufbereitungseinrichtung ein im Pegel sehr konstantes Signal abgegeben. Die Rückkopplungssignale der beiden Regelschleifen 110 und 120 sind an Ausgängen 114 und 126 abgreifbar und werden von der weiter unten in Verbindung mit F i g. 8 beschriebenen Steuereinrichtungverarbeitet.

In F i g. 3 ist das Blockschaltbild des in F i g. 1 mit 20 bezeichneten Autokorrelators dargestellt. Die Eingangsklemme 201 ist mit der Ausgangsklemme 129 der Signalaufbereitungseinrichtunc (F i g. 2) verbunden. Das dort empfangene analoge Eingangssignal wird in einem Analog/Digital-Wandler 203 in einer Folge von digitalen Signalen umgewandelt, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel Zweierkomplement-Binärzahlen mit festem Komma sind und vier Bits lang (ein Vorzeichenbit und drei Ziffernbits) sind.

Das Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers 203 wird über einen Eingangspuffer 205 einerseits über eine Umlaufsteuerung 207 einem Schieberegister 209 und andererseits einem ersten Multiplizierer 213 zugeführt. Das Schieberegister 209 kann 256 4-Bit-Worte aufnehmen. Zusammen mit einem Zusatzregister 211 für ein Wort und der Umlaufsteuerung 207 wird eine Umlaufschleife 210 für 257 Worte gebildet. Betrachtet man einen Umlauf von 256 Worten als eine Umlaufperiode, scheint die Umlaufschleife 210 ihren Inhalt je Periode um einen Schntt zu verschieben. Nach jedem Umlauf wird in den ersten Speicherplatz an Stelle des dort ankommenden ältesten Datenwortes ein neues Datenwort eingegeben.

Die Abtastfrequenz im A/D-Wandler beträgt im vorliegenden Fall 200 Hz entsprechend einer Abtastperiode von 5 ms. Wenn die Umlaufschleife zwischen zwei Abtastzeitpunkten einmai mit 256 Schritten umläuft, ergibt sich eine Taktzeit von 19,6 μ$ entsprechend einer Frequenz von 51,02 kHz.

Der erste Multiplizierer 213 bildet Produkte aus den im Schieberegister 209 enthaltenen Datenworten und dem im Eingangspuffer 205 enthaltenen Datenwort. Pro Umlauf erscheint an der Umlaufsteuerung 207 einmal der gesamte Inhalt des Schieberegisters 209. Der Inhalt des Eingangspuffers 205 ändert sich während dieser Zeit jedoch nicht. Damit ergibt sich als Ausgangssignal des Multiplizieren 213 für den Jt-ten-Schritt der n-ten Umlaufperiode das Produkt

Λιι.Ι) ~

k kann auch als logischer Speicherplatz des Datenregisters, und η kann auch als die Echizeil betrachtet werden. D sind die 4 Bit langen Datenwörter, und Pist das maximal 8 Bit lange Produkt.

Werden diese P₍„. ι; für jedes k über eine bestimmte

bo Periode integriert, so erhält man die Autokorrelationen für jedes k. Würde man jedoch alle P-Werte bearbeiten wollen, wäre ein sehr großer Speicher erforderlich. Durch die im folgenden beschriebene an sich bekannte Integralion wird ein solcher großer Speicher entbehr-

b5 lieh.

Ein erster Addierer 215 addiert den Ausgangswert des ersten Multiplizierers 213 zu dem Komplement des jeweils alten Korrelationswertes in einem Korrelations-

register 223. Der Korrelationswert gelangt über einen Ausgangspuffer 225 und einen Komplementierer 231 in den ersten Addierer 215. Dessen Ausgangswert ist

c ρ

^lI(n.fc) ' In.*)

- (n- k)

dabei ist C

Korrelationswert und 5 die Zwischensumme.

Die Zwischensumme S₍„. k) wird in einem zweiten Multiplizierer 217 mit einer an einem Eingang 219 vorgegebenen postiven Konstante multipliziert, die hier mit 1/2* angenommen wird. Dies hat den Vorteil, daß der zweite Multiplizierer 217 als einfacher Datenmultiplexer aufgebaut werden kann, sofern A/eine natürliche Zahl ist.

Der Ausgangswert des zweiten Multiplizierers 217 wird in einem zweiten Addierer 221 zum jeweils alten Korrelationswert im Korrelationsregister 223 addiert, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, bilden zweiter Addierer 221, Korrelationsregister 223 und Ausgangspuffer 225 eine Umlaufschleife 233. Eine weitere Umlaufschleife umfaßt außerdem noch den Komplementierer 231, den ersten Addierer 215 und den zweiten Multiplizierer 217. Diese beiden Schleifen laufen synchron mit der Umlaufschleife 210 um. Für die Korrelationswerte in der Schleife 233 gilt

C₁,

— r

It.Il)

¹ ρ r

"*, >'(n.JtI ~~ ^L ln.t

Die obere Form der Gleichung stellt dabei die Beziehung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Werten am Ausgang 229 dar, während die untere Form den Gesamtzusammenhang zwischen Daten und Korrelationen wiedergibt. Es ist ersichtlich, daß die alten Korrelationen im Korrelationsregister mit einer durch N bestimmten Zeitkor,:Jante kleiner werden und daß die hinzukommenden neuen Produkte die bestehenden Korrelationswerte auffrischen. Integriert (summiert) man die Gleichung(3), so ergibt sich

'Ά,-_m) -D₁₁,-„-ι,! (4)

Unter der Voraussetzung, daß N groß ist. entspricht diese Gleichung dem analogen Autokorrelations-lntegral

F(:„.) = \ IU) JU -

\ J

df (5)

dabeisind

F die Autokorrelation

f das zu untersuchende Signal

* die äquivalente Datenlänge (Zeitkonstante),

fo die Echtzeit,

t der Integrationsparameter (< 0) und

r der Zeitabstand.

Vergleicht rrr.n die Gleichungen (4) und (5) miteinander, so ergibt sich für die äquivalente Datenlänge

= m_e

(5 msec)

Unter der Voraussetzung, daß Λ/ groß ist. gilt
m_eq = 2^V bzw. /V = log₂ m_rq (7a.7b)

Aus den Gleichungen (6), (7) läßt sich folgende Tabelle ableiten:

.V	'".	160 ms
5	3?	320 ms
6	64	640 ms
7	128	I.ZCi S
η	Z.Ml	2.56 s
9	512

Für die mögliche fötale Herzschlagperiode (-8J bis 1250 ms entsprechend 48 bis 212 Schlägen pro Minute) sind die passenden Werte Λ/dementsprechend 6. 7 oder 8. Zwischen diesen Werten kann sich A/von Periode zu Periode ändern.

Am Ausgang 229 des in Fig. J dargestellten Korrelators erscheint alle 5 ms sein gesamter Registerinhalt für alle Zeitabstandswerte. Das Signal am Ausgang 229 kann nach Umwandlung in analoge Form auf einem Oszillografen als Autokorrelationskurve sichtbar gemacht werden, wenn dieser Oszillograf entsprechend der Umlaufperiode alle 5 ms getriggert wird.

Der Ausgangspuffer 225 weist einen Rückstelleingang 227 auf, über den der Inhalt der Umlaufschleife 233 ganz oder teilweise gelöscht werden kann.

Der Korrelator gemäß Fig. 3 ist in Aufbau und Arbeitsweise an sich weitgehend bekannt.

In Fig. 4 ist die Schaltung des in Fig. 1 mit 30 bezeichneten Spitzenwertdetektors dargestellt. Die Eingangsklemme 301 ist mit einem Ausgang 229 des Korrelators verbunden. Das dort ankommende Signal wird zunächst in einem Digital/Analog-Wandler 303 in eine analoge Kurve umgesetzt und in einem Tiefpaß 305 geglättet.

Einem weiteren Eingang 332 wird eine Taktfrequenz von 200 Hz zugeführt, die in einem Frequenzteiler 333 auf 100 Hz halbiert wird. Mit dieser halbierten Frequenz wird über eine Steuerschaltung 335 ein Schalter S1 betätigt. Der Schalter 51 läßt die Autokorrelationskurve während jeder ungeraden Zirkulationsperiode zu einer Verstärkeranordnung 310 durch und sperrt sie während jeder geraden Zirkulationsperiode.

In der Verstärkeranordnung 310 wird der Spitzenwert des ankommenden Signals von einem Operationsverstärker 307 zwei Hahekondensatoren 315 und 313 zugeführt. Außerdem erfolgt eine Rückkopplung über einen Rückkopplungsverstärker 309 zum Eingang des Operationsverstärkers 307. Die Rückkopplung und damit die Regelung des Gesamtverstärkungsfaktors des Verstärkers 310 erfolgt über eine Regelschleife, die einen Operationsverstärker 311 und ein opto-elektronisches Bauelement LD, R 1 enthält.

Der Kondensator 315 liegt wegen seines Anschlusses am Eingang eines Operationsverstärkers 31/ virtuell an Masse, während der Kondensator 313 unmittelbar an Masse gelegt ist. Die Spannungen an beiden Rondensa-

toren folgen der Ausgangsspannun^ des Operationsverstärkers 307, solange diese ansteigt. Wegen der Dioden D 2 und DS sinkt die Spannung an den Kondensatoren 315 und 313 jedoch nicht ab, wenn die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 307 abfällt.

Die Entladezeitkonstante des Kondensators 313 ist wesentlich länger als die Wiederholperiode des Signals (10 ms), jedoch kürzer als die Herzschlagperiode. Dadurch ergeben sich keine Verzerrungen in der Auto-Korrelationskurve, aber es ist eine Amplitudenregelung für aufeinanderfolgende Herzschlagpcrioden möglich.

Die Spannung am Kondensator 3\ϊ kann daher als der höchs;e Spitzenwert der laufenden Korrelationskurve betrachtet werden. Der Zeitpunkt des höchsten Spitzenwertes wird folgendermaßen festgestellt. Eine mit der halbierten Taktfrequenz von 100 Hz gespeiste Steuerschaltung 337 schließt Schalter 52 und .S'3 für ein sehr kurzes Zeitintervaii am Beginn jeder Taktperioue. Zu diesen Zeitpunkten wird die Spannung am Kondensator 313 über den Operationsverstärker 311 und einer Diode D4 zum Kondensator 315 übertragen. Der Schalter 53 bewirkt, daß ein Zeitglied 320 zurückgestellt und gestartet wird. Das Zeitglied 320 weist einen Kondensator Ci auf. der vom Startzeitpunkt an kontinuierlich aufgeladen wi:· I. Ein Komparator 321 bleibt zunächst auf seinem linieren Ausgangspegel und sperrt einen Feldeffekttransistor Q2, so daß das Aufladen des Kondensators 3If nicht beeinflußt wird. Nachdem der Kondensator G jedreh den Schwellwert des Komparators 321 erreicht hat, geht dieser an seinem Ausgang auf einen höheren Pegel, wodurch der Transistor Q2 geöffnet wird und der Kondensator 315 beginnt, sich zu entladen. Diese Entladung erfolgt jedoch nur bis zu einer Spannung, die durch einen Spannungsteiler R 2 vorgegeben ist und etwa 70 bis 85% der vom Kondensator 313 gehaltenen Spannung betragen sollte. Dadurch wird verhindert, daß der Spitzenwert-Detektor auf kleinere Spitzen anspricht, die zwischen den Hauptspitzen liegen, deren gegenseitiger Abstand gemessen werden soll.

Die Rückstellung und der Start des Zeitgliedes 320 kann außer mit dem Schalter 53 auch durch einen Transistor Q 1 erfolgen. Dies erfolgt immer dann, wenn das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 307 einen Spitzenwert erreicht, der über die Haltespannung am Kondensator 315 hinausgeht. In diesem Fall schaltet ein Polaritätsdetektor 317 den Transistor Q 1 durch, so daß in der Folge der Transistor Q 2 gesperrt wird und die Lade- und Haltefolge des Kondensators 315 nicht beeinflußt wird.

Das Ende der Aufladeperiode entspricht der Lage des wesentlichen Spitzenwertes, obwohl die Auto-Korrelationskurve um diesen Spitzenwert herum mehrere kleinere Spitzenwerte aufweist. Der Zeitpunkt wird, abgesehen von einer gewissen Zeitverzögerung, durch das Umschalten des Ausgangssignals des Komparators 321 angezeigt. Die Zeitverzögerung beträgt im vorliegenden Beispiel 1 ms, was 256 ms des Eclitzeusignals entspricht

In F i g. 5 sind die Signalverläufe an den in F i g. 4 mit a bis η bezeichneten Punkten dargestellt Es ist ersichtlich, daß der zweite Umschaltzeitpunkt h des Zeitgliedes 320 (das erste Umschalten entspricht dem Ursprungsspitzenwert bzw. der Betätigung des Schalters 52) der Lage des wesentlichen Spitzenwertes der Autokorrelationskurve entspricht Mittels eines monostabilen Flipflops 323 (F i g. 4) wird ein Impuls g erzeugt, der über ein UND-Glied 327 an die Ausgangsklemme 329 des Spitzenwcrtdetektors abgegeben wird. Die Abstiegsflanke des Impulses ^bewirkt das Setzen eines Flipflops 525, welches seinerseits über ein Signal ./' das , UND-Glied für den Durchlaß weiterer, den r~chfoigendnn Spitzenwerten der Auto-Korre'itionskurve entsprechenden Impulsen sperrt. Das Fiipflop 3Z5 ist durch ein weiteres Zeitglied 330 wieder rückstellbar. Der Rückstellzeitpunkt ist so gewählt, daß er kurz nach dem

κι Urspriingsspitzenwert liegt. Das Ausgangssignal d des Polantätsdetektors 317 ist über eine Ausgabeschaltung 319 auch als Signal m an einem zusätzlichen Ausgang 318 abgreifbar.

Der vorstehend beschriebene Spit/enwert-Detektor ι entspricht in Aufbau und Wirkungsweise im wesentlichen dem in der deutschen Auslegeschrift 2143 971 beschriebenen Spitzenwertdetektor. Gegenüber letzterem ist er jedoch dahingehend abgewandelt, daß er riiuiii direkt eine gegebene Signaikuivc iii Ecliizcii

:n abtastet, sondern die Auto-Korrelationskurve in einem verkürzten Zeitmaßstab.

Abgesehen davon erfolgt die Messung vom durch den Taktgeber festgelegten Ursprung bis zum ersten wesentlichen Spitzenwert und nicht zwischen zwei

j". Spitzenwerten. Da in einem komprimierten Zeitmaßstab gearbeitet wird, d. h. zwischen zwei Herzschlägen 256 Messungen vorgenommen werden, können während der laufenden Herzschlagperiode falsche Meßwerte eliminiert und durch bessere ersetzt werden, während

so bei einer Echtzeitmessung erst in der nächstfolgenden Herzschlagperiode ein neuer Meßwert erhalten werden kann.

In Fig. 6 ist der in F i g. 1 mit 40 bezeichnete Kehrwertbildner dargestellt. Die zugehörigen Signal-

ii verlaufe zeigt F i g. 7.

Ein Funktionsgenerator 403 erzeugt eine 1/f-Hyperbel. Dem Funktionsgenerator 403 wird ar; seinem Eingang 402 die halbe Taktfrequenz von 100 Hz zugeführt, die am Ausgang 339 des Spitzenwertdetek-

jii tors (Fig.4) anliegt. Die Erzeugung der 1/i-Hyperbel erfolgt auf einen Impuls hin. Zum interessierenden Zeitpunkt wird diese Hyperbel abgetastet, und der so erhaltene Abtastwert stellt ein direktes Maß für »"Me dem gemessenen Zeitintervall entsprechende Frequenz dar.

4> Im vorliegenden Beispiel ist die Hyperbel gegenüber dem Ursprung um eine Verzögerungszeit Td verschoben, die der Verzögerungszeit des Zeitgliedes 320 (F i g. 4) entspricht. Um urnötig hohe Koordinatenwerte der Hyperbel zu vermeiden, bleibt der Funktionsgenerator 403 außerdem noch für eine Zeitdauer 7o auf einem konstanten Wert, ehe er mit der Erzeugung der Hyperbel beginnt.

Das Signal η am Ausgang 329 des Spitzenwertdetektors (F i g. 4) wird dem Eingang 401 des Kehrwertbildners zugeführt Ein Zeitfenstererzeuger 407 steuert eine Torschaltung 409, die das Signal η nur während der erwarteten Impulszeitpunkte durchläßt, wobei allerdings eine Abweichung von ±25 Herzschlägen pro Minute zugelassen wird.

b0 Der öffnungs- und der Schließzeitpunkt des Zeitfensters sind in Fig. 7 mit in und i|i bezeichnet Der Zeitfenstererzeuger 407 wird seinerseits vom gemessenen Frequenzwert geregelt, der zur Stabilitätserhöhung über einen Tiefpaß 415 geleitet wird. Ein Fehlerdetektor

c5 417 spricht an, wenn während des Zeitfensters kein Impuls durch die Torschaltung 409 hindurchkommt und vergrößert dann nach und nach die Breite des Zeitfensters.

Eine Abtastschaltung 405 tastet bei Durchlaß eines Impulses durch die Torschaltung 409 den diesem Zeitpunkt entsprechenden Hyperbelwert ab und hält ihn fest. Ein Begrenzer 411 begrenzt den von der Abtastschaltung 405 abgegebenen Frequenzwert auf den Bereich zwischen 48 und 212 Herzschlägen pro Minute, um eine Übersteuerung der Anzeige 6 bzw. des Schreibers 7 (F ig. 1) zu vermeiden.

Eine zweite Halteschaltung 413 dient dazu, fehlerhafte Abtastwerte der Abtastschaltung 405 auszublenden und stattdessen den jeweils vorhergehenden Wert am Ausgang 419 abzugeben. Die Steuerung der zweiten Abtastschaltung 413 erfolgt über einen Eingang 420.

In Fig.8 ist die in Fig. ί mit 50 bezeichnete Steuerschaltung dargestellt. Sie empfängt an ihren Eingängen 501, 503, 505 und 527 die an den Ausgängen 114,126,312 und 412 der Schaltungen gemäß Fig. 2,4,6 anstehenden Signale und gibt an ihren Ausgängen 521, 523, 525 und 533 Steuersignale an die Geräte 6 und 7 (F i g. I) rad die Eingänge 420,127 und 219 (F i g. 6,2 und 3) ab. Durch die Steuersignale werden die einzelnen Systemparameter entsprechend den festgestellten Bedingungen optimiert bzw, wenn dies nicht möglich ist, Warnsignale abgegeben oder Anzeige und Schreiber abgeschaltet

Die Signale an den Ausgängen 114 und 126 (Fig.2) und 312 (Fig.4) werden Schwellwertdetektoren 507, 509 und 511 zugeführt, die nur dann ein Ausgangssignal abgeben, wenn ihr Eingangssignal einen bestimmten Schwellwert überschreitet Ein UND-Glied 513 gibt an seinem Ausgang eine logische 1 ab, wenn alle drei Schwellwertdetektoren ein Ausgangssignal abgeben. In allen anderen Fällen ist das Ausgangssignal des UND-Gliedes 513 logisch 0. Das Ausgangssignal des UND-Gliedes 513 stellt einen ersten Prüfparameter für die Gültigkeit der jeweiligen Messung dar.

Zusätzlich kann noch eine Prüfvorrichtung für das Signal/Rauschverhältnis des Meßsignals vorgesehen werden, die anzeigt, wenn dessen periodischer Anteil praktisch fehlt.

Eine weitere zu prüfende Bedingung ist die Änderungsgeschwindigkeit der berechneten Herzschlagfrequenz. Diese Prüfung erfolgt durch ein Differenzierglied 529, dem über einen Eingang 527 das am Ausgang 412(Fi g. 6) ankommende Signal zugeführt wird. Wenn der Spitzenwertdetektor auf einen falschen Spitzenwert angesprochen hat od<".r wenn kein Spitzenwert vorhanden war, ändert sich die Herzfrequenz plötzlich innerhalb von 10 ms sehr stark. Da sich die tatsächliche Herzschlagfrequenz innerhalb einer Herzschlagperiode nicht ändern kann, ist ein solcher Frequenzwechsel ein Anzeichen für ein Fehler. Das Differenzierglied 529 gibt daher bei Auftreten eines solchen Fehlers an seinem Ausgang eine logische 0 ab, während es sonst eine logische 1 abgibt. Das mit 515 bezeichnete UND-Glied gibt daher nur dann an seinem Ausgang eine logische 1 ab, wenn alle Prüfbedingungen in Ordnung sind. Das Ausgangssignal des UND-Glieds 515 wird über einen Ausgang 523 dem Steuereingang 42Ö der zweiten Abtastschaltung 413(Fi g. 6) zugeführt und schaltet diese durch, wenn es log^;5ch I ist. Ist das Signal logisch 0. so wird der Schalter in der zweiten Abtastschaltung 413 geöffnet und an deren Ausgang 419 wird weiterhin der vorhergehende Abtastwert abgegeben.

Der Ausgang des UND-Gliedes 515 ist weiterhin über eine Verzögerungsschaltung 517 und einen Ausgang 521 mit der Anzeige 6 und dem Schreiber 7 (Fig. I) verbunden und schaltet diese ab, wenn nach einer vorgegebenen Zeitverzögerung (im vorliegenden Beispiel etwa 1,2 s) eine Fehlerbedingung nach wie vor andauert. Auf diese Weise bleiben kurzzeitige Fehler außer Betracht.

Schließlich wird das Ausgangssignal des UND-Gliedes 515 noch zusammen mit dem Signal am Eingang 527 einer Steuerschaltung 519 für den in Fi g. 2 dargestellten gewichtenden Addierer 119 zugeführt Steuerschal-

in tung 519 und Addierer 119 sind weiter unten in Verbindung mit F i g. 10 näher erläutert

Das am Eingang 527 ankommende Herzfrequenzsignai wird schließlich noch in einem KJassifizierer 531 einem von drei Bereichen zugewiesen, denen verschiedene Werte von N (Fig.3) in folgender Weise zugeordnet sind:

Herzschlagfrequenz (Schläge pro Minute)

Über 160
80-160
Unter 80

Die entsprechenden Signale werden über einen Ausgang 533 dem in Fig.3 mit 219 bezeichneter Eingang des Multiplizierers 217 zugeführt

F i g. 9 zeigt Kurven zur Erläuterung der in F i g. 2 mil 119 bezeichneten und weiter unten näher beschriebener als Addierer verwirklichte Koeffizientenmatrix. Würde man das zu messende Signal ohne Aufbereitung autokorrelieren, so erhielte man eine Autokorrelations kurve nach Art der Kurve A. Die Kurve hat relativ flache Extremwerte, und es ist schwierig die Zeitpunkte der Extremwerte exakt zu bestimmen.

Durch passendes Ausfiltern der niedrigeren Frequenzbereiche läßt sich eine Autokorrelationskurve nach Art der Kurve B erzeugen. Diese Kurve hat zwai ausgeprägte schmale Spitzenwerte, besitzt jedoch eine Anzahl von Nebenspitzen, die zu einem falscher Meßergebnis führen können, wenn der Spitzenwertdetektor sie für Hauptspitzen hält Die Signalaufberei-

4-, tungseinrichtung gemäß F i g. 2 filtert, wie oben bereit· beschrieben wurde, mittels Bandpaßfiltern 115 und 117 sowohl bestimmte hohe als auch bestimmte tief« Frequenzen aus dem Frequenzband heraus und misch sie mittels des gewichtenden Addierers 119 in bestimmten Verhältnis zueinander. Dadurch wird eine Autokorrelationskurve nach Art der Kurve C in Fig.? erhalten, deren Extremwerte einerseits schmal sind um sich andererseits in ihrer Amplitude deutlich von der Nebenspitzen abheben.

y, Der gewichlonde Addierer 119 ist zusammen mi seiner zugehörigen Steuerschaltung 519 (Fig.8) ir Fig. 10 dargestellt. Die Steuerschaltung 519 weist eir Integrierglied 540 auf, über das das Ausgangssignal de: UND-Gliedes 515 einem Addierverstärker 544 züge

_W) führt wird. Dem Addierverstärker 544 wird wuterhir über einen Operationsverstärker 542 das der Herz schlagfrequenz entsprechende Signal zugeführt. Da: Ausgangssignal des Addierverstärkers 544 dient al< Steuersignal für zwei gegenläufig geschaltete opto-elek

_h-, tronische Bauelemente 140 und 142, die zusammenwir kend mit einem Addierverstärker 144 die von der Bandpaßfiltern 115 und 117 (Fig. 2) kommender Frequenzgemische mit variablem Verstärkungsfaktoi

zum Ausgang 121 durchlassen. Bei Erhöhung des Koeffizienten für den Frequenzbereich vom Bandpaßfilter 115 wird gleichzeitig der Koeffizient für den Frequenzbereich vom Bandpaßfilter 117 erniedrigt bzw. umgekehrt. Die Steuerschaltung 519 und der gewichtende Addierer 119 sind so aufeinander abgestimmt, daß bei schlechten Signalbedingungen (Ausgang des UND-Gliedes 515 logisch 0) und/oder niedriger Herzschlagfrequenz mehr die tiefen Frequenzbereiche (Bandpaßfilter 117) bevorzugt werden, während bei guten Signalbedingungen und höherer Herzschlagfrequenz die hohen Frequenzbereiche (BandpaQfilter 117) stärker durchgelasssen werden. Dieser Betriebsweise liegt die Erkenntnis zugrunde, daß auch bei schlechten Signalbediiigungen die Grundwelle noch relativ gut zu erkennen ist, sofern man dann keinen so starken Wert auf die genaue Lage des Spitzenwertes legt. Andererseits ist es wesentlich, bei höheren Herzfrequenzen den wesentlichen Spitzenwert schmaler zu machen, wenn die Meßgenauigkeit nicht leiden so!!, denn die Genauigkeit der Spitzenwerterfassung hängt nicht von der absoluten Breite des Spitzenwertes ab, sondern von seiner relativen Breite bezogen auf die Periodendauer des zu messenden Signals.

Unter normalen Bedingungen werden im voliegenden Ausführungsbeispiel etwa 15 bis 20% des niedrigeren Frequenzbereiches bezogen auf den höheren Frequenzbereich durchgelassen. Die Zeitkonstante des Integriergliedes 540 beträgt etwa 0,5 bis 1 s.

Das Vorstehende gilt für nach dem Dopplerprinzip gewonnenen Ultraschallsignale. Andere Signale, wie das fötale Elektrokardiogramm oder fötale Tonsignale könnvn jedoch ebenfalls verarbeitet werden, wenn in der Signalaufbereitungseinrichtung nach F i g. 2 das Bandpaßfilter 103 entsprechend geändert wird. Folgende Filtercharakteristiken haben sich als günstig erwiesen:

Signalqucllc Frequenzband Spcrrverhaltcn

Doppiersignal 300-1000 Hz
Tonsignal 70- 140 Hz

EKG-Signal 25- 45 Hz

J(I

12-18 dB/Oktave 12-18 dB/Oktave oben 12-18 dB/Oktave unten 24-30 dB/Oktave 4-,

Im folgenden werden noch einige Variationsmöglichkeiten des oben beschriebenen Systems erläutert.

Erste Abwandlung

Statt kontinuierlich, wie oben beschrieben, kann eine intermittierende Messung vorgenommen werden, wobei während jeder Herzschlagperiode nur einmal über einen bestimmten Signalabschnitt auto-korrelisrt wird. Der günstigste Zeitpunkt ist dabei der, bei dem sich gerade ein solcher Signalabschnitt im Schieberegister befindet, der zwei aufeinanderfolgende Herzschläge vollständig enthält. Ein solcher Signalabschnitt ist in F i g. 11 mit a bezeichnet. Dagegen eignen sich die mit b und r bezeichneten Signalabschnitte weniger gut zur Erzeugung einer aussagekräftigen Auto-Korrelationskurve. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, daß die Länge der in Fig. Il dargestellten Signalabschnitte bei exponentiell gewichteter Auto-Korrelation die äquivalente Datenlänge (Zeitkonstan'.e) darstellt.

Da zwischen zwei aufeinanderfolgenden Herzschlägen keine Korrektur oder Auffrischung der Korrelationswcrtc erfolgt, ändert sich die Lage des wesentlichen Spitzenwertes und damit auch die Frequenzanzeige zwischen zwei Herzschlägen nicht

Damit wird der Effekt vermieden, der in Fig. 12 dargestellt ist. Wenn nämlich ein neuer Wellenberg in das Schieberegister eingegeben wird, kennt der Korrelator noch nicht die Lage von dessen Maximum sondern nimmt den Wert im vordersten Speicherplatz des Schieberegisters als Maximum an. Dadurch verschiebt sich der erste wesentliche Spitzenwert in der Autokorrelationskurve nach links (Kurve t/JL Mit dem weiteren Einschieben des Wellenberges in das Schieberegister verschiebt sich dann der Spitzenwert entsprechend nach rechts, wie durch die Kurven e und f dargestellt ist. Dieser Effekt führt zu einer instabilen Frequenzanzeige und einer unsauberen Aufzeichnung der Herzfrequenz.

Vermieden wird der vorstehende Effekt dadurch, daß durch ein geeignetes Freigabesignal nur der in F i g. 11 mit a bezeichnete Signalabschnitt auto-korreliert wird. Ein solches Freigabesigna! kann mittels eines nach dem Stand der Technik bekannten Spitzenwert-Detektors erzeugt werden, dem zum Beispiel der vom Bandpaßfilter 117 (F i g. 2) durchgelassene untere Frequenzbereich zugeführt wird. Die Ungenauigkeit eines solchen Spitzenwert-Detektors kann in Kauf genommen werden, da er nicht direkt zur Messung der Herzschlagfrequenz dient sondern nur zur Festlegung der Auto-Korrelationsintervalle. Zur Freigabe der passenden Signalabschnitte und zum Sperren der übrigen eignet sich die in F i g. 6 dargestellte zweite Abtastschaltung 413. Dieser kann das Freigabesignal über den Eingang 420 mittels eines UND-Gliedes zugeführt werden.

Zweite Abwandlung

Das Freigabesignal kann auch zur Beeinflussung der Auto-Korrelation si jst benutzt werden. Es ist zum Beispiel möglich, den Inhalt der das Korrelationsregister 223 enthaltenden Zirkulationsschleifen nach jeder Herzschlagperiode zu löschen. Dies geschieht dadurch, daß die Zirkulation um mindestens eine Zirkulationsperiode (5 ms) unterbrochen wird. Auf diese Weise wird in jeder Herzschlagperiode eine unabhängige Korrelationsrechnung durchgeführt, ohne Rücksicht auf vorher durchgeführte Korrelationen. Auf diese Weise kann zwar der Momentanwert der Herzschlagfrequenz sehr genau bestimmt werden, jedoch geht bei einem solchen Verfahren die Fähigkeit verloren, das Nutzsignal aus dem Rauschen herauszuheben.

Gemäß der vorstehend beschriebenen zweiten Abwandlung wird die Länge der Signalabschnitte, die auto-korreliert werden, nicht durch eine Zeitkonstante, sondern einfach aurch den Löschzeitpunkt der Auto-Korrelationswerte bestimmt. Bei der Auto-Korrelation kann daher mit der bei an sich bekannten Korrelationsgeräten mit Summierbetrieb bezeichneten Methode gearbeitet werden. Dabei fällt in der Anordnung nach Fig.3 die Zirkulationsschleife weg, die den Komplementierer 231 enthält. Die Auto-Korrelationswerte werden in diesem Fall nach und nach immer größer, so daß die Korrelation zwangsläufig zu einem bestimmten Zeitpunkt abgebrochen werden muß, um einen Überlauf des Korrelationsregisters 223 zu vermeiden. Durch einen passend gewählten Wert für N Multiplizierer 217 kann dafür gesorgt werden, daß die Speicherkapazität des Korrelationsrcgisters 223 gerade für eine Herzschlagperiode ausreicht, nach deren Ablauf das Korrelationsregister 223 gelöscht wird.

Es ist auch möglich, die Korrelationsart umschaltbar

zu machen, so daß man zwischen exponentiellem und Summierbetrieb und ggf. nach anderen Betriebsarten wählen kann. Man wird dann die Betriebsart wählen, die für die jeweilige vorgegebene Signalqualität optimal ist. Eine solche Umschaltung könnte auch an Hand bestimmter Bewertungskriterien automatisch erfolgen.

Dritte Abwandlung

Die zweite Abwandlung kann so weitergebildet werden, daß nicht das Korrelationsregister nach jeder Herzschlagperiode vollständig gelöscht wird, sondern die Grundwelle der Auto-Korrelationskurve für die nächstfolgende Auto-Korrelationsrechnung erhalten bleibt. Dadurch wird der maßgelbliche Spitzenwert besser herausgehoben. Die Grundwelle der Auto-Korrelationskurve kann in der Zirkulationsschleife dadurch erhalten werden, daß durch entsprechende Durchschnittsbildunj über einige Umläufe die höherfrequenten Anteile ansgemittelt werden.

Vierte Abwandlung

Die Zeilkonstante wird für jeden Speicherplatz des Korrelationsregisters getrennt gewählt, so daß sie eine Funktion der Zeitverschiebung r ist, die dem jeweiligen Speicherplatz zugeordnet ist. Da^u wird dem zweiten Multiplizierer 217 (Fig.3) für jeden Einzelschritt der Zirkulation ein neuer Wert von Λ/ zugeführt.

Auf diese Weise können zum Beispiel unerwünschte Signalanteile aus der Auto-Korrelationskurve herausgehalten werden, v»enn man eine Zusatzinformation über deren Periodendauer besitzt. F.deutungsvoll ist ein solches Verfahren zum Brispiel bei der abdominalen Elektrokardiographie, wo man d; vom Herzen der Mutter herrührenden Signale unterdrücken und nur die fötalen Herzsignale auswerten will. Ist die Periodendauer der mütterlichen Signale bekannt, so kann man für die diese Periodendauer entsprechende Zeitverschiebung r die Zeitkonstante sehr klein wählen und damit den dortigen Spitzenwert der Auto-Korrelationskurve kleiner als die Spitzenwerte machen, die von der fötalen Herztätigkeit herrühren. Fig. 13 zeigt eine typisch*; Auto-Korrelationskurve eines abdominalen EKG-Signals. 7> ist die Periodendauer des fötalen Herzsignals, und Tm ist die Periodendauer des mütterlichen Herzsignals. Der von letzterem herrührende Spitzenwert S\ läßt sich durch das vorstehend beschriebene Verfahren praktiüch eliminieren, indem die Zeitkonstante für alle die Speicherplätze sehr klein gehalten wird, die er belegt.

Fünfte Abwandlung

Bei der Ermittlung des Abstandes dei ersten wesentlichen Spitzenwertes vom Ursprungsspitzenwert wird beim Spitzenwertdeiektor gemäß F i g. 4 nicht vom Ursprungsspitzenwert selbst sondern von einem Taktzeitpunkt ausgegangen, der diesem Spitzenwert entspricht. Dies ist deshalb erforderlich, weil der Ursprungsspitzenwert der Auto-Korrelationskurve eine senkrechte Anstiegsflanke hat, die im Tiefpaßfilter 305, das dem Digital/Analogwandler 303 nachgeschaltet ist, verschliffen wird. Dadurch verschiebt sich das Maximum des Ursprungsspitzenwertes nach rechts, so daß dieser nicht als Starttrigger für die Zeitmessung benutzt werden kann.

:o Dies kann dadurch vermieden werden, daß der Ursprungsspitzenwert ein Stück in Richtung auf eine positive Zeitverschiebung (r>0) versetzt wird. Die entsprechende Autokorrelationskurve ist in Fig. 14 dargestellt Die gewünschte Verschiebung läßt sich einfach dadurch erreichen, daß zwischen Eingangspuffer 205 und ersten Multiplizierer 213 (Fig.3) ein weiteres Schieberegister gesetzt wird, welches eine Verzögerung von z. B. 16 Worten (Ic= 16) bewirkt. Dies entspricht einer Zeitverzögerung von 80 ms. Da der Ursprungsspitzenwert nunmehr keine senkrechte Anstiegsflanke mehr hat, wird auch sein Maximum nicht mehr durch den Tiefpaßfilter zeitlich verschoben. Die Messung der Periodendauer kann daher einfach zwischen zwei Spitzenwerten erfolgen, ohne daß zusätzliche Schaltmaßnahmen erforderlich sind.

Sechste Abwandlung

Aus dem Amplitudenverhältnis des Ursprungsspitzenwertes und des nächstfolgenden wesentlichen Spitzenwertes läßt sich die Kohärenz des zu messenden Signals ermitteln. Das Amplitudenverhältnis liefert bei EKG-Signalen eine Zusatzinformation über Arythmien und bei Ton- und Dopplersignalen eine Aussage über die Sicherheit bzw. Unsicherheit der aufgenommenen Kurven.

llieiYii l2HI;iii /cichiuiimcn

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen der Frequenz bzw. Periodendauer der Grundschwingung eines annähemd periodischen Signals mit statistisch verteilten Spektralanteilen unter Anwendung der Autokorrelation, wobei der zeitliche Abstand vom Ursprungsspitzenwert bis zum nächsten Spitzenwert der so erhaltenen Autokorrelationskurve gemessen wird und aus diesem zeitlichen Abstand die Frequenz bzw. Periodendauer der Grundschwingung ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Signalabschnitte, die autokorreliert werden, entsprechend der jeweils zuvor gemessenen Periodendauer des Signals so nachgestellt wird, daß sie im wesentlichen einer Periodendauer entspricht

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Autokorrelation eine Gewichtungsfuck üon zugeordnet ist, entsprechend der der Einfluß zurückliegender Ereignisse gemäß einer Zeitkonstante abnimmt, wobei die Zeitkonstante entsprechend der Periodendauer so nachgestellt wird, daß der Einfluß der länger als eine Periodendauer zurückliegenden Ereignisse vernachlässigbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zu messende Eingangssignal mit einer bestimmten Frequenz abgetastet wird, daß die Abtastwerte in einen ersten Speicher eingegeben jo werden, dir zwischen zwei Abtastungen einen Umlauf seines gesamten, eir<* vorgegebene Vielzahl von Abtastwerten enthaltenden Dateninhalts vorsieht, wobei bei Eingabe jede<" neuen Abtastwertes der jeweils älteste im Speicher befindliche Abtast- r> wert verlorengeht, daß während des Umlaufs aufeinanderfolgend Produkte aus dem jeweils neuen Abtastwert und jedem gespeicherten Wert gebildet werden, daß die Autokorrelationskurve digital in einem die gleiche Registeranzahl aufweisenden und w mit gleicher Geschwindigkeit wie der erste Speicher umlaufenden zweiten Speicher gespeichert wird,diß aus den Produkten Korrekturwerte für die Autokorrelationskurve gebildet werden, die jeweils durch eine der Länge der Signalabschnitte entsprechende 4^Λ> Zahl dividiert werden, und daß die im zweiten Speicher enthaltenen Autokorrelationswerte mittels der Korrekturwerte entsprechend den jeweiligen im ersten Speicher enthaltenen Werten korrigiert werden. w

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn der Messung die Periodendauer des Eingangssignals grob abgeschätzt wird und die abgeschätzte Periodendauer zur Anfangseinstellung der zu korre- ■>-> lierenden Signalabschnitte verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wählbarkeit unter verschiedenen Autckorrelationsmethoden besteht, die als Summiermethode, Exponentialmethode, Haltemethode t,o und Löschmethode bekannt sind.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach jeder Meßwertausgabe eine teilweise oder völlige Löschung der zur Korrelation verwendeten Werte erfolgt. h->

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach jeder Meßwertausgabe die bestehende Korrelationskurvc für die nächstfolgende Messung so geglättet wird, daß in die nächste Korrelation im wesentlichen ihre Grundwelle eingeht

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal vor der Korrelation aufbereitet wird, indem die Größe seiner einzelnen Frequenzkomponenten entsprechend bestimmter vorgegebener, die Korrelation eines durch Nebenfrequenzen verzerrten Signals erleichternder Bewertungskriterien selektiv verändert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Eingangssignal mittels Bandpaßfiitern bestimmte Frequenzbereiche ausgefiltert werden, die anschließend mit einstellbaren Amplitudenwerten für die einzelnen Frequenzbereiche gemischt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter entsprechend einem vorgegebenen Bewertungskriterium für das Meßergebnis oder ein Zwischenergebnis optimiert werden.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter entsprechend dem Signal/Rauschverhältnis des Eingangssignals verändert werden.

12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtsignalpegel bei der Aufbereitung des Eingangssignais entsprechend der aus der Korrelation resultierenden Kurvenform so geregelt wird, daß letztere eine im wesentlichen konstante Amplitude erhält

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Amplitudenverhältnis des Ursprungsspitzenwertes und des nächsten Spitzenwertes der Autokorrelationskurve als Kriterium für deren Zuverlässigkeit bestimmt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Autokorrelationskurve digital aus Abtastwerten des Eingangssignals ermittdt whd, dadurch gekennzeichnet daß die Autokorrelationskurve periodisch ausgelesen wird, in eine analoge Kurve umgewandelt wird und mittels eines Tiefpasses gefiltert wird, dessen obere Grenzfrequenz unterhalb der halben Abtastfrequenz liegt.

15. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Autokorrelation von einer bestimmten negativen Zeitverschiebung aus erfolgt, so daß der Ursprungsspitzenwert bei einer positiven Zeitverschiebung liegt.

16. Vorrichtung zum Messen der Frequenz bzw. Periodendauer der Grundschwingung eines annähernd periodischen Signals mit statistisch verteilten Spektralanteilen unter Anwendung der Autokorrelation, mit einer Stelleinrichtung zum Einstellen der Länge der Signalabschnitte, die autokorreliert werden, sowie mit einer Einrichtung zum Messen des zeitlichen Abstandes vom Ursprungsspitzenwert bis zum nächsten Spitzenwert der so erhaltenen Autokorrelationskurve und zum Ermitteln der Frequenz bzw. Periodendauer aus diesem zeitlichen Abstand, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung (50) derart mit der Einrichtung (30,40) zum Messen des zeitlichen Abstandes verbunden ist, daß sie die Länge der zu korrelierenden Signalabschnitte entsprechend der jeweils zuvor gemessenen Periodendauer nachstellt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Autokorrelationseinrich-

tung (20) eine Gewichtungseinrichtung (217) aufweist, die den Einfluß zurückliegender Ereignisse gemäß einer Zeitkonstante vermindert, wobei die Stelleinrichtung (50) die Zeitkonstante entsprechend der Periodendauer so nachstellt, daß der Einfluß der länger als eine Periodendauer zurückliegenden Ereignisse vernachlässigbar isL

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Abtasteinrichtung (203) zum Abtasten des zu messenden Eingangssignals mit einer bestimmten Frequenz, durch einen ersten Speicher (209), der zwischen jeweils zwei Abtastwerten seinen Inhalt vorbestimmter Dateniänge zur Aufnahme der Abtastwerte einmal umlaufen läßt, wobei bei Eingabe jedes neuen Abtastwertes der jeweils älteste im ersten Speicher befindliche Abtastwert verloren geht, durch einen Multiplizierer (213), der während des Umlaufs aufeinanderfolgend Produkte aus dem jeweils neuen Abtastwert und jedem gespeicherten Wert bildet, durch einen die gleiche Dateniänge aufweisenden und mit gleicher Geschwindigkeit wie der erste Speicher umlaufenden zweiten Speicher (223) zum digitalen Speichern der Autokorrelationskurve, durch eine die Gewichtungseinrichtung (217) enthaltende Korrektureinrichtung (215, 231) zum Bilden von Korrekturwerten für die Autokorrelationskurve aus den Produkten, wobei die Korrekturwerte in einer Divisionseinrichtung (217) jeweils durch eine entsprechend der gewünschten Länge der Signalabschnitte gewählte Zahl geteilt werden und die im zweiten Speicher enthaltenen Autokorrelationswerte mittels der Korrekturwerte entsprechend den jeweiligen im ersten Speicher enthaltenen Werten korrigiert werden.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 18, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum groben Abschätzen der Periodendauer des Eingangssignals zu Beginn der Messung, wobei die abgeschätzte Periodendauer der Stelleinrichtung (50) zur Anfangseinstellung der zu korrelierenden Signalabschnitte zugeführt wird.

20. Vorrichtung nach Anspruch 16, gtkennzeichnet durch eine Umschalteinrichtung, mittels welcher zwischen mindestens zwei der als Summiermethode, Exponentialmethode. Haltemethode und Löschmethode bekannten Autokorrelationsmethoden umgeschaltet werden kann.

21. Vorrichtung nach den Ansprüchen 16 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß nach jeder Meßwertausgabe eine teilweise oder völlige Löschung der zur Korrelation verwendeten Werte erfolgt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine Glättungseinrichtung, die nach jeder Meßwertausgabe die bestehende Korrelationskurve für die nächstfolgende Messung so glättet, daß in die nächste Korrelation im wesentlichen ihre Grundwelle eingeht.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, gekennzeichnet durch eine Signal-Aufbereitungseinrichtung (10), die das Eingangssignal vor der Korrelation so aufbereitet, daß die Größe seiner einzelnen Frequenzkomponenten entsprechend bestimmter vorgegebener, die Korrelation eines durch Nebenfrequenzen verzerrten Signals erleichternder Bewertungskri'.erien selektiv verändert werden.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet. daC die Signal-Aufbereitungseinrichtung (10) Bandpaßfilter (115, 117) für bestimmte Frequenzbereiche, eine Koeffizientenmatrix (140, 142, Fig. 10) für die selektive Verstärkung bzv.\ Abschwächung der einzelnen Frequenzbereiche sowie eine Mischeinrichtung (144, Fig. 10) zum Mischen der so veränderten Frequenzbereiche aufweist

25. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter mittels der Stelleinrichtung (50) entsprechend einem vorgegebenen Bewertungskriterium für das Meßergebnis oder ein Zwischenergebnis optimierbar sind.

26. Vorrichtung nach Ansprach 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter mittels der Regeleinrichtung (50) entsprechend dem Signal/

|-, Rauschverhältnis des Eingangssignals veränderbar sind.

27 Vorrichtung nach Anspnich 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtsignalpegel mittels der Regeleinrichtung (50) bei der Aufbereitung des

>o Eingangssignals entsprechend d'; aus der Korrelation resultierenden Kurvenform so r ;geibar ist, daß letztere eine im wesentlichen konstante Amplitude erhält.

28. Vorrichtung nach Anspnich 16, gekennzeichnet lurch einen Quotientenbildner, der das Amplitudenverhältnis des Ursprungsspitzenwertes und des nächstfolgenden Spitzenwertes der Autokorrelationskurve ermittelt

29. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die jo Autokorrelationskurve digital aus Abtastwerten des Eingangssignals ermittelt wird, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum periodischen Auslesen der Autokorrelationskurve, durch einen Digital/ Analogwandler zum Umwandeln dieser Kurve in j-, eine analoge Kurve, sowie durch einen Tiefpaß zum Filtern der analogen Kurve, wobei die obere Grenzfrequenz des Tiefpasses unterhalb der halben Abtastfrequenz liegt.