DE2717530A1

DE2717530A1 - Verfahren zur stoerbefreiung von signalen

Info

Publication number: DE2717530A1
Application number: DE19772717530
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl Phys Nagel
Original assignee: Biotronik Mess und Therapiegeraete GmbH and Co
Current assignee: Biotronik SE and Co KG
Priority date: 1977-04-18
Filing date: 1977-04-18
Publication date: 1978-10-19
Also published as: DE2717530B2

Description

Verfahren zur Störbefreiung von Signalen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befreiung eines Signalgemisches von in Abständen auftretenden, untereinander ähnlichen Störanteilen, insbesondere zur Beseitigung von QRS-Komplexen materneller Herzsignale im abdominal abgeleiteten feto-maternellen Elektrokardiogramm sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei vielen technischen Anwendungen im Bereich der Signalverarbeitung kommt es vor, daß in einem Nutzsignale enthaltenden Signalgemisch Störsignale großer Amplitude enthalten sind, die eine charakteristische Form haben, in unregelmäßigen Abständen wiederkehren und eine Auffindung bzw. Auswertung des Nutzsignals sehr stark behindern, wenn nicht gar unmöglich machen. Solche Störsignale sind denkbar beispielsweise im Zusammenhang mit Funkstörungen, wenn bestimmte steilflankigen Einschaltvorgänge von fremden, nicht entstörten Geräten zu bei der Signalverarbeitung nicht vorhersehbaren Zeitpunkten die Signalauswertung beeinträchtigen.
Die Befreiung eines Signalgemisches von in Abständen auftretenden, untereinander ähnlichen Störsignalen stellt beispielsweise in der Perinatalogie bei der Erkennung und Verarbeitung des fetalen Elektrokardiogramms ein bislang nicht befriedigend gelöstes Problem dar. Erst vor der Geburt, nach Öffnen der Fruchhlase, läßt sich das fetale EKG mit Hilfe von Kopfschwartenelektroden direkt vom Feten ableiten. Da diese Methode während der gesamten Dauer der Schwangerschaft nicht angewandt werden kann, muß auf Methoden einer indirekten Ableitung des fetalen EKGs von der Mutter zurückgegriffen werden, wenn eine effektive Überwachung des Feten durchgeführt werden soll. Die vom Abdomen der Mutter abgeleiteten elektrischen Signale weisen jedoch ein äußerst ungünstiges Signal/Störverhältnis auf, so daß mit den Mitteln der bisher angewandten Filtertechniken das Auftreten von fetalen QRS-Komplexen nur mit einer Entdeckungsquote von etwa 50% ermittelt werden kann. Da diese Quote höchstens zu einer Anzeige der mittleren fetalen Herzfrequenz ausreicht, steht dem Arzt bisher weder eine ausreichende Information über die Mikrofluktuationen, d.h. die kurzfristigen Schwankungen der Herzfrequenz, noch über die Wellenform des fetalen EKGs zur Verfügung.
Als Störungen des fetalen EKGs treten insbesondere das maternelle EKG, das maternelle Elektromyogramm und Rauschsignale auf. Ihre Aimplituden liegen wesentlich über denjenigen des fetalen Elektrokardiogramms, dessen maximale Amplitude bei der Aufnahme mittels abdominaler Elektroden 10 bis 50 pV beträgt. Die Amplitude des fetalen EKGs ändert sich jedoch stark je nach Lage des Feten in Bezug auf die Elektroden.
Das abdominale Signal setzt sich wie folgt zusammen: S(t) = D(t) [Ef(t) + Em (t) + N(t)] S(t) = abdominales Signal D(t) = multiplikative Verzerrung Ef(t) = fetales EKG Em (t) = maternelles EKG N(t) = Rauschen und maternelles Elektromyogramm Die Störungen Em (t) und N(t) sind vom EKG additiv überlagert. Die zusätzlichen multiplikativen Verzerrungen rühren in erster Linie von auftretenden Bewegungen her. Inr Einfluß ist jedoch so gering, daß sie bei der weiteren Betrachtung in guter Näherung vernachlässigt werden können, so daß sich ergibt: S(t) = Ef(t) + Em(t) + N(t) Die Wellenformen der einzelnen Komponenten sind im voraus nicht bekannt und unterliegen häufig sogar innerhalb des Zeitintervalls der Signalverarbeitung Schwankungen, die eine Auswertung beträchtlich erschweren.
Der maternelle QRS-Komplex weist seine größte Leistungsdichte im Frequenzbereich zwischen 10 und 30 Hz auf. Das Maximum des fetalen QRS-Komplexes im Frequenzspektrum liegt etwas höher, und zwar zwischen 15 und 40 Hz.
Die im abdominalen Signal enthaltenen Rauschanteile erstrecken sich über den gesamten Frequenzbereich. Die sehr niederfrequenten Störungen rühren vermutlich in erster Linie von Bewegungen der Elektroden her, während der höherfrequente Teil dem Elektromyogramm zuzurechnen ist.
In der Praxis wurden bisher zur Ausblendung des maternellen Elektrokardiogramms im abdominalen Signal folgende Methoden angewandt: 1. Differenzverfahren Zusätzlich zum abdominalen wird ein normales EKG der Mutter aufgenommen. Durch Subtraktion der beiden EKGs wird versucht, das maternelle EKG aus dem abdominalen Signal zu eliminieren. Dieses Verfahren arbeitet sehr fehlerhaft, da es kaum möglich ist, die beiden maternellen EKGs in Amplitude und Phase zur Deckung zu bringen. Störsignale werden nicht unterdrückt. Dieses Verfahren ist deshalb insbesondere im Hinblick auf Routineuntersuchungen ungeeignet.
2. Ausblendverfahren Das maternelle EKG steuert einen elektronischen Schalter, der das abdominale EKG ausblendet, sobald ein materneller QRS-Komplex auftritt. Bei diesem Verfahren können keine fetalen QRS-Komplexe entdeckt werden, die ganz oder teilweise mit den maternellen zusamnnfallen.
3. Amplitudendiskriminierung Das abdominale EKG steuert zwei Triggerschaltungen mit unterschiedlichen Schwellwerten an. Das Oberschreiten des oberen Schwellwertes signalisiert das Auftreten eines maternellen QRS-Komplexes, der untere zeigt einen fetalen QRS-Komplex an. Dieses Verfahren weist die gleichen Nachteile wie das Ausblendverfahren auf. Alle drei Verfahren sind sehr unzuverlässig, wenn Störimpulse auftreten.
Nach dem prinzipiell gleichen Verfahren läuft die von Christiansen und Hoegl ("Entwurf eines Gerätes zur Messung des fetalen Elektrokardiogramms vor und während der Geburt", Biomedizinische Technik, Bd. 20, H. 5/1975) vorgeschlagene Signalanalyse ab. Hier wird jedoch statt der Signalamplitude ihre erste Ableitung geprüft. Eine größere Zuverlässigkeit in der QRS-Komplexerkennung kann hierdurch nicht erreicht werden.
Den bekannten Verfahren ist gemeinsam, daß sich Fehierregistrierungen ergeben, welche ihre Ursache in dem ungünstigen Verhältnis der Störanteile zu den zu detektierenden Signalen auch noch nach der Aufbereitung entsprechend den jeweiligen Verfahren haben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, das ein zuverlässiges Ausblenden von in Abständen auftretenden, untereinander ähnlichen Signalen in einem Störanteile enthaltenden Signalgemisch unter besonderer Anpassung des Detektionsverfahrens an die jeweilige Form der aufzunehmenden Signale ermöglicht.
Das Verfahren soll universell anwendbar sein und bei einer entsprechenden Meßvorrichtung bei geringem rechnerischen Aufwand automatisch arbeiten, so daß Messungen auch von technisch nicht vorgebildeten Personen schnell und sicher ausgeführt werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst.
Besonders vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, daß dieses eine Signalauswertung in Echtzeit ermöglicht, so daß die Ergebnisse nach einer kurzen Anlaufphase unmittelbar zur Verfügung stehen. Jeder einzelne Signalzug wird dabei direkt erkannt. Das Auswertungsverfahren paßt sich einer zeitlichen Änderung der Eingangs-und Störsignale automatisch an, so daß stets die nach den Umständen beste Erkennung der gestörten Signale möglich ist.
Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitendes medizinisches Untersuchungsgerät eignet sich wegen seiner einfachen Bedienbarkeit infolge des automatisierten Auswertungsprozesses und sicheren Erfassung der zu ermittelnden Signale auch für Routineuntersuchungen, so daß sich ein breites Anwendungsfeld auch im medizinischen Bereich ergibt.
Bei der Erfindung wurde von der Erkenntnis ausgegangen, daß bei einem Verfahren zur Befreiung von Störsignalen, deren Wellenform nicht bekannt ist, und die zudem in variablen Abständen auftreten, eine Möglichkeit der Adaption des Verfahrens an die unterschiedlichen Störsignale gegeben sein muß. Durch die Ermittlung der Wellenform des Störsignals, nachdem es zunächst einmal durch eine herkömmliche Methode mit einiger Sicherheit erkannt worden ist, und die Zugrundelegung dieses Signalverlaufs bei dem späteren Wiederauffinden desselben oder eines diesem ähnlichen Signals, werden die Nachteile der bekannten Verfahren vermieden. Nachdem in einer Anfangsphase der Signalauswertung das gesuchte Signal zunächst einmal erkannt wurde - beispielsweise in einem Zeitraum, in dem ein sich in zeitlichen Abständen wiederholendes Störsignal besonders deutlich auftrat -, ist für die weiteren Messungen die Empfindlichkeit des Verfahrens derart gesteigert, daß auch weniger hervortretende Störsignale regelmäßig beseitigt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in seinen Weiterbildungen dem betreffenden Problem angepaßt werden, so daß der notwendige Aufwand jeweils an die durch die Art der Störungen und des Nutzsignals gestellten Anforderungen anpaßbar ist.
Das Signalgemisch enthält Störsignale , die zwar wie das Nutzsignal unter sich ähnlich sind und in Abständen erscheinen, deren Auftauchen aber unerwünscht ist, da sie die Erkennung des Nutzsignals beeinträchtigen. Bei der Analyse fetaler EKGs stellt das maternelle Herzsignal eine derartige Störung dar. Weil es vom Signaltyp her dem zu detektierenden fetalen Herzsignal sehr ähnlich ist, dieses amplitudenmäßig aber um ein Vielfaches übertrifft, stellt es eine erhebliche Beeinträchtigung der Erkennung des fetalen Herzsignals dar.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Schwierigkeit dadurch beseitigt, daß die unter sich ähnlichen in Abständen erscheinenden Signalanteile, die einen bestimmten Pegel überschreiten, erkannt und durch Subtraktion aus dem Signalgemisch eliminiert werden. Wichtig ist, daß beim Auftauchen eines derartigen Störsignals nicht der tatsächliche aktuelle Signalverlauf subtrahiert wird, da dann am Ausgang ein Nullpegel erscheinen würde, sondern ein aus den in der Vergangenheit erkannten Signalen gemitteltes Signal, wobei zweckmäßigerweise wiederum eine exponentielle Mittelung angewendet wird. Bei der fetalen EKG-Erkennung wird also das maternelle EKG vor der orrelationsanalyse vom abdominalen Signal subtrahiert, wodurch auch bei der Analyse stark gestörter oder pathologischer EKGs eine ausreichende Sicherheit bei der Erkennung des fetalen EKGs gegeben ist.
Um eine optimale Signalerkennung durchführen zu können, wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung das gestörte Signal vor der Anwendung der Detektionsverfahren in der Weise vorgefiltert, daß lediglich diejenigen Frequenzanteile durchgelassen werden, welche in dem aufzufindenden Signal enthalten sind, wobei aber die Störsignalanteile in der Regel noch nicht ausreichend beseitigt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kommt es also darauf an, ein in einem gestörten Signalgemisch enthaltenes Störsignal zunächst ein oder mehrere Male sicher aufzufinden.
(Wird für die Störsignalerkennung ein Amplitudenkriterium benutzt, so liegt der Schwellwert zweckmäßigerweise über der später durch das Verfahren zu erzielenden Empfindlichkeitsschwelle.) Diese sicher erkannten Störsignale werden als "Muster" herangezogen, um damit weitere gleiche oder ähnliche Störsignale aufzufinden, auch wenn sie im Signalgemisch verborgen und nicht ohne weiteres erkennbar sind. Zur Erzielung einer Verbesserung eines Störsignalmusters mit der Zeit oder, um eine Anpassung an zeitliche Änderungen des Störsignals zu bewirken, kann das jeweils erkannte Signal mit dem gespeicherten Mustersignal - vorzugsweise exponentiell - gemittelt werden.
Zur Erkennung des gesuchten Störsignals für eine spätere weitere Verbesserung des Störsignalmusters kann entweder das ursprüngliche Kriterium oder ein durch Vergleich des gestörten Signalgemisches mit dem Störsignalmuster auf Ähnlichkeiten hin gewonnenes Steuersignal verwendet werden: Bei der Anwendung des ursprünglichen Kriteriums wird das Störsignal auch im weiteren Verfahrensablauf im Signalgemisch wieder nach den selben Kriterien erkannt, wie bei seinem ersten Auftreten während der Signalauswertung, bevor es also zum ersten Mal in den Speicher als Mustersignal eingegeben worden ist. Bei jedem späteren Entdecken des Störsignals kann das aufgefundene Störsignal zur Mittelwertbildung mit dem eingespeicherten Signal herangezogen werden, um das festgehaltene Störsignalmuster in seiner Genauigkeit zu verbessern oder bei einem sich zeitlich ändernden Störsignal es dessen aktueller Form anzupassen, so daß das zu subtrahierende Signal verbessert und damit die Störbefreiung präziser erfolgt. Die mmpfindlichkeit beim Auffinden der Störung ist jedoch bei diesem Verzahren nicht größer. Das ändert sich dagegen, wenn man die Kreuzkorrelationsfunktion zwischen Mustersignal und gespeichertem Störsignalmuster bildet. Da jetzt auch die'%hnlichkeit" des erkannten Störsignals mit dem gespeicherten Muster in das Verfahren eingeht, verbessert sich die Empfindlichkeit des Verfahrens im Laufe der Zeit, bis schließlich auch weniger stark ausgeprägte Störsignale beseitigt werden können. Zweckmäßigerweise wird dabei bevor ein hinreichend gesichertes Muster zur Verfügung steht für einen Anfangszeitraum die Erkennung des Auftretens von Störsignalen nach der erstgenannten Methode durchgeführt, und erst dann auf die Steuerung durch die Kreuzkorrelationsfunktion umgeschaltet.
Eine weitere wirkungsvolle Verbesserung des Verfahrens zur Störbefreiung läßt sich dadurch erreichen, daß das Mustersignal und das zu verarbeitende Signalgemisch amplitudenmäßig aufeinander abgestimmt sind, wie es weiter unten dargestellt ist. Wenn das gemittelte Signalmuster im Falle des Auftretens eines Störsignals zur subtraktiven Befreiung des Signale misches von diesem Signal herangezogen wird, sollte die zuletzt erkannte Störung nicht in die Mittelung eingegangen sein, da sie,wenn sie einen zeitlichen Ausschnitt aus dem Signalgemiscn darstellt, in einem überlagerten Signalanteil auch das gesuchte Signal enthält, welches für eine wirkunrvolle Störbefreiung durch Subtraktion nicht im Subtrahenden vorkommen darf.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorteilhafterweise unter Verwendung eines Mikroprozessors realisiert.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1a ein Blockschaltbild des vorteilhaften Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens in der gerätemäßigen Realisierung, Fig. 1b ein Blockschaltbild einer Variante des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. la, das einen Mikroprozessor enthält, Fig. 2 ein Flußdiagramm des prinzipiellen Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens als Grundlage für ein Rechenprogramm, das beispielsweise zur Steuerung eines Mikroprozessors dienen kann, Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Subrahierers für die Anwendung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, Fig. 4 ein Blockschaltbild eines entsprechenden Mittelwertbildners, Fig. 5a einen für das erfindungsgemäße Verfahren geeigneten Maximumdetektor in digitaler Ausführung und Fig. 5b einen derartigen Maximumdetektor in analoger Ausführung.
Das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild gibt an, wie eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens grundsätzlich aufgebaut sein kann. Die Realisierung der dargestellten Stufen durch elektronische Schaltungen ist dem Fachmann geläufig, da es beispielsweise mittels von den Bauelementeherstellern herausgegebenen Applikationen möglich ist, für jede der schlagwortartig bezeichneten Schaltungsbaugruppen eine mögliche konkrete Ausführungsforra anzugeben. Dafür bietet sich z.B. die TTL-, die CMOS- oder auch vergleichbare Techniken an. Eingehender wird der Aufbau einzelner Schaltungsgruppen noch anhand der Fign. 3 bis 5 dargestellt werden, auf die bei der näheren Beschreibung des Ausführungsbeispiels jeweils noch Rezug genommen wird.
In Fig. ib ist ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Einrichtung wiedergegeben. Im Gegensatz zu dem in Fig. la dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt hier die Signalaufbereitung durch Mikroprozessoren. Aus Gründen der Übersicht ist die Verwendung zweier Mikroprozessoren vorgesehen. Entsprechend kann selbstverständlich auch ein einziger Mikroprozessor verwendet werden, der die Signalverarbeitung dann im time-sharing Verfahren durchführt. Die Entscheidung, welche der Möglichkeiten gewählt wird, die Schaltung zu realisieren, hängt von der weiteren technischen Entwicklung, den benötigten Stückzahlen und den an die Arbeitsgeschwindigkeit, die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit gestellten Anforderungen ab.
Bei der in Fig. 1a dargestellten Ausführung wird das abdominal abgeleitete feto-matcrnelle Herzsignal einem Vorverstärker 1 zugeführt, der den geringen Pegel des Eingangssignals auf einen Wert anhebt, der für die Verarbeitung in den nachfolgenden Stufen ausreichend ist.
Eine erste Verbesserung des Signal/Störverhältnisses erfolgt mittels Filterung durch einen Bandpaß 2. Im Bereich niedriger Frequenzen übersteigt die Leistung der maternellen QRS-Komplexe diejenige der fetalen bei weitem.
Hier liegen auch die Frequenzanteile der zu erwartenden Aktionspotentiale des maternellen Herzsignals.
Zwischen 15 und 40 Hz haben beide Signalleistungen in etwa die selbe Größenordnung. Durch eine Bandpaßfilterung in diesem Frequenzbereich läßt sich somit eine selektive Verstärkung des fetalen Herzsignals erzielen.
Die Festlegung der unteren und der oberen Frequenzgrenze erfolgt so, daß diejenigen Frequenzanteile des empfangenen Signals, die zur Erkennung des nutzsignals nicht beitragen, unterdrückt werden. Bei der Analyse des fetalen Elektrokardiogramms ist ein zweites Kriterium für die Bemessung der Grenzen des Frequenzbandes, daß das maternelle Herzsignal zwar gedämpft wird, jedoch noch eine größere Amplitude aufweist als das fetale Signal, so daß eine Erkennung der maternellen QRS-Komplexe mittels Schwellwertdetektoren möglich ist. Unter Zugrundelegung dieser Überlegungen ergeben sich die Frequenzgrenzen für den Bandpaß 2 bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung mit f = 15 Hz und f0 = 40 Hz. Gute Ergebnisse wurden mit einem u nichtrekursiven digitalen Filter linearer Phase erzielt.
Über eine Rückführung vom Ausgang des Bandpasses her kann durch Amplitudenregelung des Vorverstärkers 1 die Triggerschwelle zur Erkennung des maternellen EKGs auf einem konstanten Wert gehalten werden, so daß keine weitere externe Amplitudeneinstellung mehr erforderlich ist.
In Fig. 2 ist ein Flußdiagramm des Ablaufs der weiteren Signalverarbeitung in den einzelnen Blöcken der Darstellung gemäß Fig. la und b wiedergegeben. Dieses Flußdiagramm stellt die Grundlage für die Erstellung eines Programms zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels einer elektronischen Rechenanlage dar. Der wiedergegebene Programmablauf kann aber auch die Grundlage für den Entwurf einer Geräteschaltung unter Verwendung von diskreten oder integrierten Bauelementen bilden und stellt nur ein Beispiel dar, das entsprechend den individuellen Erfordernissen abgewandelt werden kann. Zur Verdeutlichung des Ablaufs des weiteren Verfahrens gemäß der Erfindung wird im Folgenden die Beschreibung dieses Ablaufs parallel anhand der Fign. 1a, 1b, 2 und, soweit es Einzelheiten betrifft, parallel anhand der Fign. 3 bis 5 vorgenommen werden.
Um bei Analyse der Elektrokardiogramme eine ausreichende Sicherheit der Erkennung der QRS-Komplexe erzielen zu können, wird im Verlaufe des weiteren Verfahrens das maternelle erzsignal vor der Korrelationsanalyse vom gesamten abdominalen Signal subtrahiert. Voraussetzung hierfür ist, daß die maternellen QRS-Komplexe sicher erkannt werden. Dazu wurde die Bandbreite des Vorfilters bereits so festgelegt, daß die niederfrequenten und die hochfrequenten Störanteile des Signals ausreichend unterdrückt sind, das maternelle Elektrokardiogramm gut erkennbar bleibt und das fetale Herzsignal darüberhinaus in der Amplitude heraufgesetzt wird.
Durch die gezielte Subtraktion eines identifizierten störenden Signalanteils, der in der Form eines aus dem vorhergehenden Signalgemisch extrahierten Mustersignals gespeichert ist, läßt sich eine nahezu optimale Störbefreiung durch füh ren.
Der zur Subtraktion benötigte Muster-QPS-Kompli- wird durch gewichtete Mittelwertbildung bestimmt, wobei die Berechnung des maternellen QRS-Musters und die Subtrãktion durch ein Triggersignal ausgelöst wird, das das Auftreten eines QRS-Komplexes anzeigt und durch einen Schwellwerdetektor erzeugt wird. Dieser Schwellwertdetektor ist in Fig. 1a in der Form eines Maximumdetetors 3 beziehungsweise 3' vorgesehen. Die Erkennung des maternellen QRS-Komplexes durch den Maximumdetektor ist sowohl digital (Block 3) als auch analog (Block 3') realisierbar. Die analoge Lösung bietet wegen des geringeren schaltungsmäßig-n Aufwands Vorteile. Sie ist in Fig. 1a als Alternative gestriche lot dargestellt. Je nach gewählter Ausführung der Schaltung wird das Signal für den Maximumdetektor 3 bzw. 3' vor oder hinter einem analog-digital-Converter 4 abgegriifen. Der analog--digital-Converter 4 arbeitet mit einer Abtastfrequenz vonl kHz. Das vom Eingang her zugeführte, gefilterte und digitalisierte feto-maternelle Herzsignal wird in einem Speicher 5 festgehalten und von dort aus einem Mittelwertbildner 6 zugeführt. Auf ein Triggersignal des Maximumdetektors 3 bzw. 3' hin wird durch den Mittelwertbildner 6, sobald ein neuer materneller QRS-Komplex erkannt wurde, aus diesem und einem bereits im Mittelwertspeicher 7 festgehaltenen Muster des maternellen QRS-Komplexes ein neuer Mittelwert gebildet, der anschließend als aktualisierter Mittelwert in den Speicher 7 eingegeben wird.
Dieser Mittelwert kann im Anfangszustand gleich null sein, es kann aber auch ein beliebiges Mustersignal angenommen werden.
Das maternelle Mustersignal wird in einer Amplitudenanpaßeinriehtung 8 in Fig. 3 mit den sie umgebenden Blöcken ge.-man Fig. 1a im einzelnen dargestellt. Dic Amplitude des im Mittelwertspeicher 7 gespeicherten maternellen Mustersignals wird mittels Division durch einen Wert K an den aktuellen Amplitudenverlauf des Eingangssignals angepaßt, um eine möglichst vollständige Befreiung des fetalen Herzsignals von dem maternellen Anteil zu erreichen. Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel weist einen üblichen digital arbeitenden Dividierer 10 auf, dem die zu dividierenden Signale über Multiplexer 11 und 12 zugeführt werden. Das Ergebnis wird über einen Demultiplexer 13 ausgegeben. Zusätzlich ist noch ein Maximumdetektor 14 für die Ermittlung der Amplitude des aktuellen maternellen QRS-Komplexes vorgesehen. Die lm1plitudenanpaßeinrichtung 8 läßt sich einschließlich der darin enthaltenen digitalen Divisionseinrichtung mittels handelsüblicner Halbleiterbauelemente, wie beispielsweise integrierten TTL-Schaltungen, entsprechend den von den Halbleiterherstellern herausgegebenen Applikationen, realisieren.
Es erscheint also am Ausgang der Subtraktionseinrichtung 9 als Signal EKGfet die Differenz D, die wie folgt gebildet wird: D = E - M/K mit E = aktuelles EKG M = Muster des maternellen EKG und K = Korrekturfaktor für die Amplitudenanpassung bei der Subtraktion, wobei der Wert K für jeden ermittelten QRS-Komplex neu errechnet wird aus K = MmaX/Emax mit Eax = Amplitude des aktuellen maternellen QRS-Komplexes und Mmax = Amplitude des maternellen Mittelwerts.
Die Mittelwertbildung, die für die Anpassung des gespeicherten Störsignalmusters an den genauen bzw. aktuellen Verlauf des störenden Signalsnotwendig ist, um das Gedächtnis der betreffenden Speichermittel "aufzufrischen", ist in Fig. 4 in ihrem funktionellen Ablauf dargestellt. Die wiedergegebenen Blöcke zeigen prinzipiell, wie eine derartige Schaltung verwirklicht werden kann. Der Mittelwertbildner 6 ist in Fig. 4 mit den ihn umgebenden Blöcken gemäß Fig. la dargestellt. Die dort wiedergegebene Innenschaltung des Blockes 6 kann aber auch ohne weiteres in einem anderen Mittelwertbildnerverwendet werden, der weiter unten näher beschrieben wird.
Die Mittelwertbildung der QRS-Komplexe von fetalem und maternellem EKG erfolgt durch exponentielle Mittelung nach den Formeln: E [1) Mn = U + U-1 Mn-1 U U [2] Mn = Mn-1 + 1 (En - Mn-1) U Darin bedeuten: Mn = Mittelwert zur Zeit tn Min 1 = Mittelwert zur Zeit tun 1 En = EKG zur Zeit tn U = Mittelungskonstante Die Mittelungskonstante bestimmt die Geschwindigkeit der Anpassung des gespeicherten Wertes an den gegenwärtigen Signalverlauf. Die Größe U ist dabei so zu wählen, daß ein optimaler Kompromiß zwischen der Verbesserung des Rauschabstandes und der Zeitkonstanten der Anpassung des EKGs an die aktuelle Wellenform erzielt wird. Für die digitale Realisierung der Signalmittelung wird für U eine Zweierpotenz gewählt, weil sich hiermit der Algorithmus in besonders einfacher Weise durchführen läßt. Fig. 4 gibt in schematischer Darstellung eine elektronische Schaltung zur Berechnung des Signalmittelwertes nach Formel [2] wieder. In einem Paralleladdierer 16 wird nach der Methode des 2-er Komplements die Differenz gebildet. In einem weiteren paralleladdierer 17 erfolgt die Bildung der Summe.
Da U den Wert einer Zweierpotenz hat (U = 2kl), kann die Division durch Rechtsschieben der Differenz um n Stellen durchgeführt werden. Die Division wird bei festem U fest verdrahtet durch entsprechende Verbindung der einzelnen Bits zwischen den beiden Addierern. Auf ein Triggersignal vom Maximumdetektor 3 bzw. 3' hin (durch Pfeil angedeutet) wird jeweils die Mittelung durchgeführt. Die gewählte Ausführung ermöglicht bei geringem Aufwand eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit. Durch die dargestellte Methode der exponentiellen Mittelung läßt sich das Signal/R.auschverhältnis um den Faktor verbessern.
Für eine praktische Ausführung in TTL-Technik kommen für die Paralleladdierer 17 und 1U integrierte Schaltungen vom Typ 7483, für den Inverter der Typ 7404 und für den (EKG-) Speicher 5 und den Mittelwertspeicher 7 je nach Wortlänge die Typen 74 100, 74 199 etc. infrage.
Im folgenden Abschnitt soll die Funktion eines in vorteilhafter Weise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbaren Maximumdetektors näher erläutert werden, wie er bereits an verschiedenen Stellen der Schaltung vorgekommen ist. (In der Fig. 1a erscheinen die Maximumdetektoren 3 bzw. 3' für eine alternative Ausführung. Außerdem befindet sich in Fig. 3 der Maximumdetektor 14 innerhalb der Subtraktionseinrichtung 8.) Grundsätzlich ist eine Realisierung in digitaler und analoger Bauweise möglich. Die digitale Ausführung, wie sie beispielsweise dem Maximum detektor 3 in Fig. 1a entspricht, ist in Fig. 5a wiedergegeben. Bei diesem Detektor erscheint das mit marx" bezeichnete Signal am Ausgang, wenn drei zu unterschiedlichen Zeiten gerriessenc Spannungswerte des Eingangssignals den Wert der Triggerscllwelle T 1 überschritten haben. Es wird auf null zurückgesetzt, wenn erneut für drei Meßwerte die Triggerschwelle T 1 unterschritten wurde. Letztere stellt eine veränderbare Größe dar, die an die Amplitude des Eingangssignals der Schaltung angepaßt werden kann. Das betreffende EKG-Signal wird in dlgitalisierter Form dem Eingang "ENG" eines digitalen Komparators 19 zugeführt und mit dem Wert der Triggerschwelle T 1 verglichen. Überschreitet das EKG-Signal diese Triggerschwelle, so erscheint ein Signal am Ausgang ">", während beim Unterschreiten der Triggerschwelle ein Signal am Ausgang "<" abgegeben wird. Diese Signale werden jeweils Und-Gattern 20 und 21 zugeführt, an deren Ausgang der logische L-Pegel anliegt, wenn zusätzlich auch das 1 kHz - Taktsignal T diesen Pegel einnimmt.
Die Flip-Flop-Schaltungen 22 und 23 sowie 24 und 25 bilden zusammen mit Und-Gattern 26 bzw. - 27 jeweils einen Zähler bis drei, wobei ein Zu.ücksetzen erfolgt, wenn der jeweils andere Zähler beim Erreichen von "drei" einen Impuls abgibt. Nur das Signal des die Uherschreitungen festhaltenden Zählers (Flip-Flop-Schaltungen 22 und 23) wird dabei dem Ausgang zugeführt.
In Fig. 5b ist ein Maximumdetektor für analogen Betrieb -dargestellt, der zwei Operationsverstärker 28 und 29 enthält sowie ein Und-Gatter 30. Das Eingangssignal "EKG" wird den beiden Operationsverstärkern über einen Tiefpaß 31 bzw. über ein Differenzierglied 32 zugeleitet. Der Trigger-.schwellwert T 1 liegt als Referenzpegel am negativen Eingang des Operationsverstärkers 28 an, während der entsprechende Eingang des Operationsverstärkers 29 auf Massepotential liegt. Der logische L-Pegel erscheint am Ausgang des Und-Gatters 30, wenn das Signal "EKG" für eine hinreichende Zeitdauer den Amplitudenwert von T 1 überschreitet und eine Steigullg von null aufweist. Insgesamt tritt also die gleiche Wirkung ein wie bei dem digital arbeitenden Maximumdetektor: T 1 muß bei mehreren Punkten des zeitlichen Verlaufs des Eingangssignals "EKG" überschritten worden sein, wobei Voraussetzung ist, daß dieses einen Extremwert angenollunen hat.
Bei der Schaltung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Fig. ib werden einige der im Vorangehenden beschriebenen Auswertungsfunktionen von einem Mikroprozessor 33 ausgeführt. Die den Blöcken 1 bis 4 entsprechenden Baugruppen sind mit denen der in Fig. 1a dargestellten Schaltung identisch. In der Peripherie des Mikroprozessors 33 sind der Mittelwertspeicher 7 und der Dividierer 9 vorgesehen, die ebenfalls im wesentlichen die selben Funktionen wie in der Schaltung gemäß Fig. 1a übernehmen, aber hinsichtlich der Datenaufbereitung den speziellen, in der Schaltung verwendeten Mikroprozessor angepaßt sind. Am Ausgang des Mikroprozessors 33 erscheint das vom maternellen Anteil befreite fetale Herzsignal.
Die Programmierung des Mikroprozessors 33 erfolgt entsprechend dem in Fig. 2 dargestellten Flußdiagramm, das allgemein eine bevorzugte Ausführung eines das erfindungsgemäße Verfahren enthaltenden Programms wiedergibt, das auch den in anderen Techniken (diskret, TTL, CMOS, etc.) ausgeführten Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens in dieser oder ähnlicher Form zugrundegelegt werden kann.
Vom Anfangspunkt "Start" 101 geht der Programmablauf über das Rücksetzen aller Zähler und Speicher in Block 102, der gleichzeitig der Einmündungspunkt für eine Programmschleife ist, zum Block 103, bei dem in einer Zykluszeit von 1 ms (entsprechend einer Abtastrate von 1 kHz) ein Spannungswert des abdominal abgeleiteten EKG eingelesen wird. In einer Vcrzweigungsanweisung 104 wird der Wert eines Flag E geprüft. Ist E gleich null, was gleichbedeutend damit ist, daß kein materneller QRS-Komplex erkannt worden und gerade abgehandelt wird, so wird in einer weiteren Verzweigung 105 überprüft, ob das Eingangssignal "ERG" die Triggerschwelle T 1 überschreitet (entsprechend der Funktion des zuvor beschriebenen Maximumdetektors). Ist T 1 nicht überschritten, so wird in einer Verzweigung 111 geprüft, ob die Größe K 1 (entsprechend der Zahl der erkannten maternellen Komplexe) größer als drei ist. Ist das nicht der Fall, so springt der Programmablauf zurück nach Block 103. Hat der Wert von EKG max die Triggerschwelle T 1 überschritten, so folgt bei der Verzweigung 105 ein Programmblock 106. Da das Überschreiten der Triggerschwelle T 1 gleichbedeutend damit ist, daß ein materneller QRS-Komplex erkannt wurde, wird das Flag E gleich eins gesetzt und die Größe K 1 - die Zahl der erkannten maternellen Komplexe - um eins herauf -, also von null auf eins gesetzt. Wenn E gleich eins ist, brauchen die nachfolgenden EKG-tQerte die Triggerschwelle T 1 nicht mehr überschreiten, der Programmablauf erfolgt direkt von Block 104 zu einem jetzt folgenden Block 107, in dem die Mittelung des maternellen EKGs, wie bei dem bereits beschriebenen Mittelwertbildner, vorgenommen wird. Die Mittelung erfolgt für jeden abgetasteten EKG-Wert einzeln. Im nächsten Block 108 erfolgt die Subtraktion des gemittelten Wertes EKGmax von dem aktuellen Meßwert, wobei die Subtraktion mit Amplitudenanpassung, wie anhand Fig. 3 beschrieben, erfolgen kann. In der nachfolgenden Verzweigung 109 wird geprüft, ob bereits für den gesamten zu erwartenden Verlauf eines maternellen QRS-Komplexes die beschriebene Mittelung und Subtraktion erfolgt ist. Zu diesem Zweck wird die Anzahl der Meßwerte gezählt, die eingelesen wurden, seitdem das Flag E von null auf eins gesetzt wurde. Erreicht die Zahl der Meßwerte 256, gilt die Erfassung eines maternellen QRS-Komplexes als abgeschlossen und der Programalablauf geht von der Verzweigung 109 zum Block 110, bei dem das Flag E wieder auf null gesetzt wird, so daß zum erneuten Aktivieren des Subtraiztionsvorgangs wiederum ein Überschreiten der Triggerschwelle T 1 durch das Eingangssignal notwendig ist.
Die Zahl der Mitte lungen des matcrnellen Komplexes EKG t, die überschritten sein muß, damit zur Befreiung des abdominal abgenornnienen Herzsignals von dem maternellen Anteil ein gesicherter Mittelwert des materne]len Komplexes zur Verfügung steht, wird zweckmaßigerweise größer als drei gewählt. Bei dem in Fig. 2 wiedergegebenen Programmablauf ist aus Darstellungsgründen K 1 mit drei angenommen worden. Die Mittelungskonstante für die exponentielle Mittelung von EKG t ist zweckmäßigex ise größer oder mat gleich acht. Wählt man für U wegen der günstigen Berechnung bei digitaler Signalverarbeitung eine 2-er Potenz, so ist U = 16 ein bevorzugter Wert. Bei der Subtraktion (Block 108) wird jeweils das beim vorhergehenden Zyklus gemittelte Mustersignal zugrundegelegt, damit der aktuelle Abschnitt des Signalverlaufs nicht die Unterdrückung des maternellen Herzsignals beeinflußt, da sonst die Gefahr besteht, daß das gesuchte fetale Herzsignal mit unterdrückt wird. Die Anpassung der Amplitude des Mittelwertes an die Amplitude des Eingangssignals trägt wesentlich zur Verbesserung der Signalauswertung bei, da sich insbesondere zu Beginn der Mittelungsprozedur das Muster und der momentan vorliegende QRS-Komplex in ihrer Amplitude beträchtlich unterscheiden können. Dadurch, daß pro Zyklus jeweils nur ein Meßwert aus dem Signalabschnitt subtrahiert und gemittelt wird, ist eine besonders wirtschaftliche gerätemäßige Realisierung des Verfahrens möglich, da die erforderliche Rechengeschwindigkeit reduziert ist.
Diejenige Verfahrensvariante, bei der die Entdeckung des Störsignals durch die Bildung der Kreuzkorrelationsfunktion zwischen dem aktuellen Verlauf des Eingangssignals und dem gespeicherten Störsignalmuster gesteuert wird, ist bei dem Ausführungsbeispiel nicht verwendet. Aus der Literatur über die Anwendung von Korrelationsverfahren ist dem Fachmann aber das entsprechende Vorgehen geläufig.
Es wird in diesem Fall nicht der Amplitudenverlauf des Eingangssignals auf die Überschreitung bestimmter Schwellwerte hin untersucht, sondern die Rorrelationsfunktion, wobei für die Untersuchung besonders charakteristischer Signale deren Auswertung für wenige Verzögerungszeiten x ausreichend ist. Maßgebend ist auch hier die Oberschreitung vorgeschriebener Schwellwerte, wobei vorteilhafterweise diese Schwellwerte dem Amplitudenverhalten des auszuwertenden Signals - vorzugsweise durch exponentielle Mittelung - angepaßt werden.
Insgesamt ist das erfindungsgemäße Verfahren für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet, wobei eine Anpassung an die jeweilige Problemstellung für eine optimale Signalauswertung, die den vorliegenden Verhältnissen am besten entspricht, dem mit der Anwendung des Verfahrens betrauten Fachmann überlassen bleiben muß. In der vorangehenden Darstellung konnte nur ein Beispiel für eine mögliche Verwendung des Verfahrens gegeben werden.
Dabei fällt es beispielsweise auch in den Bereich der Erfindung, wenn bei einer bevorzugten Ausführungsform ein Gleichrichter im Signaleingang vorgesehen ist, der ohne Integration in einer übiichen Schaltungsanordnung eine Gleichrichtung des Eingangssignals bewirkt. Diese Lösung ist vorteilhaft, wenn das zu erkennende Eingangssignal keine festgelegte Polarität aufweist. Dabei ergibt sich für die Anwendung bei der Aufnahme des fetomaternellen Elektrokardiogramms der Vorteil, daß die Elektroden nicht in jedem Anwendungsfall so placiert sein müssen, daß stets positive oder stets negative R-Zacken zu erwarten sind. Die weitere Signalverarbeitung bleibt dabei unberührt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 0 verfahren zur Befreiung eines Signalgemisches von in Abständen auftretenden, untereinander ähnlichen Störanteilen, insbesondere zur Beseitigung von QRS-Komplexen materneller Herzsignale im abdominal abgeleiteten feto-maternellen Elektrokardiogramm, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß ein erstes von in Abständen auftretenden untereinander ähnlichen Störsignalen nach einem ersten Kriterium erkannt, in seinem Amplitudenverlauf in einem Speicher (5) festgehalten und, wenn das Auftreten eines weiteren gleichartigen Störsignals im Signalgemisch entdeckt ist, von diesem amplitudenmäßig phasenrichtig subtrahiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Auftreten eines weiteren Störsignals nach einem zweiten Kriterium entdeckt wird, das in dem Maß der Übereinstimmung des Signalgemisches mit dem Amplitudenverlauf des im Speicher (5) festgehaltenen Störsignals besteht.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Beseitigung von untereinander ähnlichen Störsignalen, die einer zeitabhängigen Variation unterworfen sind, das als Muster festgehaltene Signal in seinem Aniitudenverlauf fortwährend an die aktuelle Signalform des Störsignals angepaßt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine verbesserte Anpassung des Arnplitudenverlaufs des als Muster festgehaltenen Störsignals auch an die Form später nach dem ersten und/oder zweiten Kriterium erkannter Störsignale durch Mittelung der einander entsprechenden Amplitudenwerte des gespeicherten und des später erkannten Störsignals und ein Einspeichern des gemittelten Amplitudenverlaufs bewirkt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß erst dann eine Subtraktion des gespeicherten Störsignals und eine nachfolgende Auswertung des von der Störung befreiten Signalgemisches ausgeführt wird, wenn für einen vorbestimmten Zeitraum Mittelungen des Amplitudenverlaufs der Störsignale vorgenommen wurden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Mittelung für einen vorbestimmten Zeitraum mit Störsignalen, die ausschließlich nach dem ersten Kriterium erkannt wurden, vorgenommen wird, ehe zur Störsignalerkennung das zweite Kriterium herangezogen wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das erste Kriterium darin besteht, daß der Amplitudenverlauf und/ oder die Autokorrelationsfunktion des Signalgemisches einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet und/oder ein Maximum bildet.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das zweite Kriterium darin besteht, daß die Kreuzkorrelationsfunktion, gebildet aus dem Signalgemisch und dem zeitlichen Verlauf des festgehaltenen Störsignalmusters einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet und/oder ein Maximum bildet.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Amplituden von im Speicher festgehaltenen Störsignalen bei der Prüfung auf Obereinstimmung oder bei der Subtraktion an die Amplitudenwerte des Signalgemisches angepaßt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß bei der Anpassung die Maximalwerte der Amplituden aneinander angeglichen werden.
11. Verfahren anch einem der Ansprüche 7 bis 10, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Maximum eines Amplitudenverlaufs angenommen wird, wenn eine vorgegebene Anzahl von Amplitudenwerten einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet und ein Extremwert festgestellt wurde.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der vorgegebene Schwellwert entsprechend der mittleren Amplitude des Signalgemisches verändert wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der vorgegebene Schwellwert entsprechend der Amplitude der in dem Speicher festgehaltenen Signale verändert wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der vorgegebene Schwellwert entsprechend der Amplitude der ermittelten Korreiationsfunktion verändert wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der vorgegebene Schwellwert in seiner Amplitude vermindert wird, wenn für einen bestimmten Zeitraum eine Überschreitung des Schwellwertes nicht festgestellt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der vorgegebene Schwellwert in seiner Amplitude vermindert wird, wenn nach einer Auswertung der Autokorrelationsfunktion als erstes Kriterium auf eine Auswertung der Kreuzkorrelatiosfunktion als zweites Kriterium übergegangen wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 16, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Mittelung exponentiell durchgeführt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Mittlungskonstante eine ganzzahlige Potenz von zwei ist.
19. Verfahren nach Anspruch 18, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Mittelungskonstante sechzehn ist.
20. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Signalauswertung für einzelne Amplitudenwerte des jeweiligen Signalverlaufs getrennt und durch wiederholte Vornahme der jeweiligen Berechnung vorgenommen wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 20, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Mittelung des Mustersignals und des erkannten Signals dann vorgenommen wird, wenn ihre Amplitudermaxima zu gleichen Zeiten auftreten.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 21, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der vorbestimmte Zeitraum durch das Auftreten einer Anzahl materneller QRS-Komplexe festgelegt wird.
23. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß zur Auswertung und Berechnung der Amplitudenwerte ein Mikroprozessor vorgesehen ist.