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Vorrichtung zur Ermittlung und Registrierung des Herzfrequenz-Histogramms
6 Patentansprüche 9 Seiten Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine
Vorrichtung zur Ermittlung und Registrierung des Herzfrequenz-Histogramms mit Zählern,
die einzelnen Klassen der Herzfrequenz bzw. Klassen von Zeiten zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Herzschlägen zugeordnet sind, gemäß Patent...(Patentanmeldung P 26 49 506.7).
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Aus dem vom Anmelder verfaßten Aufsatz ~Tragbarer Herz frequenz-Histogramm-Speicher"
(Biomed. Techn. 22, 1977, H.3, S. 60-62) ist eine Vorrichtung zur Ermittlung und
Registrierung des Herzfrequenz-Histogramms bekannt, wie sie auch Gegenstand des
vorgenannten Patents ist. Diese Vorrichtung weist als Zählelemente für die aus dem
EKG abgeleiteten und klassierten Herzdaten Zähler auf, wie sie in einem anderen
Aufsatz des Anmelders ~Miniaturzähleinheit mit getrennter Anzeige" (Elektronik 6,
1976, H. 6, 5. 69 bis 72) beschrieben sind. Mittels derartiger Zählelemente ist
der Aufbau einer Vorrichtung der obengenannten Gattung möglich, welche bei einer
kompakten Bauform von einem Patienten nahezu ohne Behinderung mitgeführt werden
kann und dabei für den behandelnden Arzt ein wichtiges Hilfsmittel für Diagnose
und Therapie darstellt, weil es eine spätere Analyse des Herzverhaltens bei den
durch die Lebensweise des Patienten gestellten Anforderungen ermöglicht. Ermittelt
wird die sich jeweils aus der Zeit zwischen zwei Herzschlägen errechnende Herzfrequenz
bzw. direkt die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden R-Impulsen. Das Auftreten
bestimmter Frequenzen oder Zeiten zwischen R-Impulsen wird jeweils als Ereignis
von dem der jeweiligen - willkürlich festgelegten - Klasse zugeordneten Zähler festgehalten.
Die Verteilung der Ereignisse, d.h. die Zählerstände nach Ablauf eines bestimmten
Zeitraumes, geben dem Arzt den gewünschten Aufschluß über das Herzverhalten der
zu beobachtenden Person im Uberwachungszeitraum.
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Während es durch die in den vorgenannten Aufsätzen beschriebenen Maßnahmen
gelungen ist, die Zählelemente bei großer Kapazität durch die Verwendung besonders
geeigneter Schaltungen so zu miniaturisieren, daß sie in der Schaltung nur noch
sehr
wenig Raum erfordern, nehmen die zusätzlichen Schaltungsteile,
welche zur Meßwertaufnahme und -auswertung dienen, und insbesondere diejenigen,
welche eine Klassierung der gemessenen Größen ermöglichen, bei Verwendung der üblichen
- unter Berücksichtigung der zu fertigenden Stückzahlen - erhältlichen integrierten
Bauelemente, noch verhältnismäßig viel Platz ein. Wird beispielsweise bei der Auswertung
der Herzsignale in der Einheit ~Frequenz" ein PLL-System verwendet, wie es in dem
zuerst genannten Aufsatz erwähnt ist, so sind neben einer Phasenvergleichsstufe,
einem spannungsaesteuerten Oszillator und einem Tiefpaß noch weitere Einrichtungen
notwendig, die die einzelnen gemessenen Frequenzen bei der Klassifizierung dem jeweiligen
Zähler zuordnen. Auch diese Klassifiziereinrichtungen erfordern eine Reihe von Komparatoren
und weiterer Zähleer, mit deren Hilfe jeweils festgestellt werden muß, ob ein gemessener
Frequenzwertentwedergrößer oder kleiner als ein die Grenze zwischen zwei Klassen
bildender vorgegebener Wert ist.
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Auch wenn als zu messender und zu klassierender Wert die Zeit zwischen
zwei Herzschlägen oder eines Vielfachen davon herangezogen wird, wie es aus dem
Aufsatz ~Recording the Cardiac Interbeat Interval Distribution" (Journal of Applied
Physiology, Volume 38, 1975, H.3, 5. 542 bis 545) bekannt ist, müssen zusätzliche
Zähler und Komparatoren sowie eine Reihe weiterer logischer Bauelemente vorgesehen
werden. Eine Miniaturisierung ist daher in dem gewünschten Maße ebenfalls nicht
möglich.
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Die sich damit wesentlich erhöhende Anzahl der in der Schaltung notwendigen
Bauelemente führt zu einer Heraufsetzung der Störanfälligkeit der Vorrichtung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der obengenannten
Gattung anzugeben, bei der eine zusäLzliclle Verkleinerung der Außenmaße damit erreicht
wird, daß die Zahl der verwendeten Bauelemente so herabgesetzt ist, daß sich
eine
Bauform realisieren läßt, welche von der behandelnden Person noch weniger als Behinderung
empfunden wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptpatentanspruchs
angegebenen Merkmale gelöst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei der vorgesehenen
Anwendung sich trotz der redundanten Programmierung des Festwertspeichers,die an
sich eine größere Zahl von Speicherplätzen erfordert, durch die Vereinfachung der
logischen Operationen insgesamt eine Gerätekonzeption ergibt, welche die erwähnten
Vorteile aufweist. Von Bedeutung ist dabei insbesondere, daß der Festwertspeicher
in Form eines programmierbaren Festwertspeichers (PROM) in einem einzigen Bauelement
zusammengepaßt und dadurch - wenn für das Bauelement ein Stecksockel vorgesehen
ist - jederzeit entsprechend den speziellen Anforderungen bei der Uberwachung der
Herztätigkeit der jeweiligen Person gezielt mit einer Programmierung für unterschiedliche
Klassengrenzen ausgewählt und gewechselt werden kann.
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Damit ist es beispielsweise dem behandelnden Arzt in die Hand gegeben,
je nach dem vorliegenden Krankheitsbild oder dem Lebensalter des Patienten die Klassenverteilung
des aufzunehmenden iiistogramms so zu wählen, daß in denjenigen Bereichen der herzfrequenz
bzw. Zeiten zwischen R-Impulsen, die im betreffenden Fall besonders aussagekräftig
sind, eine hohe Auflösung erzielt wird, d.h. die Zahl der Klassen, für die jeweils
ein Zähler vorhanden ist, in diesen Bereichen vergrößert ist. Aber auch, wenn die
Klassenbereiche äquidistant verteilt sind, besteht die vorteilhafte Möglichkeit,
den durch die Klassen abgedeckten Bereich so zu legen, daß die zu erwartende Herzfrequenzverteilung
des Patienten optimal abgedeckt wird.
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Sind die Festwertspeicher steckbar ausgeführt, so kann der Arzt vor
dem Einsatz der Vorrichtung beispielsweise aus einem
Vorrat von
eine unterschiedliche Programmierung enthaltenden Festwertspeichern denjenigen auswählen,
der den im Einzelfall gestellten Anforderungen am besten entspricht und die Vorrichtung
durch einfaches Einstecken des gewählten Festwertspeichers in die dafür vorgesehene
Fassung betriebsfertig machen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
die Möglichkeit vorgesehen, nacheinander mehere getrennte Histogramme bei der selben
Person aufzunehmen, um Aufschluß über zeitliche änderungen des Herzverhaltens zu
erlangen. So ist es möglich, beispielsweise den Einfluß unterschiedlicher Tätigkeiten
im Laufe des Tages oder die Wirkungen von Arzneimitteln festzustellen. Die letztgenannte
Anwendung ist für den behandelnden Arzt von besonderer Bedeutung, da sie ihm ein
Mittel in die Hand gibt, um zu erkennen in welchem Zeitraum die Wirkung eines verabreichten
Medikaments eintritt und wie stark jeweils die Auswirkungen auf die Tätigkeit des
Herzens sind.
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Damit ist auch die Möglichkeit gegeben, herzwirksame Pharmaka hinsichtlich
des zeitlichen Verlaufs der Beeinflussung der Herztätigkeit zu überprüfen.
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Von besonderem Vorteil ist dabei, daß auch die zeitliche Steuerung
der Aufnahme der Histogramme, gegebenenfalls mit einer sich ändernden Klassenverteilung
- über den Festwertspeicher steuerbar ist, so daß mit dem Einstecken eines bestimmten
Speichertyps ohne zusätzliche Maßnahmen die genaue zeitliche Zuordnung z¢r Aufnahme
mehrerer Histogramme festgelegt werden kann.
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Die diesbezüglichen Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben. Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.
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Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild des Ausführungsbei spiels
der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung und Registrierung des Herzfrequenz-Histogramms.
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Das von den an die Eingangsklemmen 1 angeschlossenen, nicht dargestellten,
Elektroden aufgenommene Herzsignal wird einem EKG-Verstärker 2 zugeführt, in dem
das Eingangssignal in seiner Amplitude heraufgesetzt wird. Das Ausgangssignal kann
in einem zusätzlichen Bandfilter, das in der Figur ebenfalls nicht dargestellt ist,
von störenden hoch- bzw. niederfrequenten Signalanteilen befreit werden. Ein Schmitt-Trigger
3 und ein diesem nachgeschalteter monostabiler Multivibrator 4 bilden eine Impulsformerschaltung
in der Weise, daß die im Eingangssignal enthaltenen R-Impulse zu Impulsen vorgegebener,
fester Amplitude und mit einer bestimmten Zeitdauer umgeformt werden, so daß eine
sichere Ansteuerung der nachfolgenden Schaltungsteile gewährleistet ist.
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Ein Oszillator 5 erzeugt Impulse mit einer konstanten Frequenz, welche
als Taktfrequenz für einen Zähler 6 dient, der jeweils durch die geformten R-Impulse,
die vom Ausgang des monostabilen Multivibrators 4 an seinen ~RESET"-Eingang gelangen,
in seine Nullstellung zurückgesetzt wird. Der jeweils erreichte Stand des Zählers,
der vorteilhafterweise als Binärzähler ausgebildet ist, vor dem Zurücksetzen gibt
damit ein Maß für den zwischen zwei Herzschlägen vergangenen Zeitraum in Einheiten
des durch die Frequenz des Oszillators 5 vorgegebenen festen Zeittaktes. Die jeweils
einzelnen Ziffern des binären Zählers tands zugeordneten Ausgangssignale gelangen
an die Adresseneingänge eines Festwertspeichers 7, der vorteilhafterweise durch
ein PROM gebildet wird. An den einzelnen zu adressierenden Speicherplätzen ist -
wiederum in binärer Codierung -fest(3et1alten, von welchem Zähler au; einer Anzahl
von in einem Speicher 8 vorhandenen Zählern der durch den Zähler 6 erreichte Zählerstand
als Ereignis registriert werden soll.
Für jeden erreichten Zählerstand
ist somit in dem Festwertspeicher 7 eine Angabe vorhanden, in welche Klasse des
aufzunehmenden Histogramms der ermittelte Wert fällt. Da der Zählerstand jeweils
die Zeit zwischen zwei R-Impulsen repräsentiert, ist damit auf einfache Weise eine
Zuordnung der zeitlichen Intervallen zwischen zwei Herzschlägen zu einem Klassenspeicher
möglich, in dem Herzschläge von jeweils einer bestimmten Frequenz registriert werden.
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Dadurch, daß durch eine geeignete Programmierung des Festwertspeichers
7 die Klassengrenzen willkürlich festgelegt werden können, ist es möglich, die Klassen
beispielsweise so einzuteilen, daß die Grenzen, bezogen auf Werte der Herzfrequenz,
gleiche Abstände haben, obgleich sich damit infolge des nicht linearen Zusammenhangs
von Zeit und Frequenz, für die entsprechende Festlegung der Klassengrenzen in Zählerständen
des Zählers 6 keine äquidistante Teilung ergibt. Bei einer Variante, bei der t#er
Festwertspeicher7 als steckbares PROM oder eines diesem entsprechenden Bauelements
ausgeführt wird, kann der Benutzer die Klassenzuordnung der Vorrichtung in kürzester
Zeit verändern, indem nämlich einfach ein die gewünschte Klassenzuordnung zu den
Zählerständen enthaltendes PROM in eine dafür vorgesehene Fassung eingesteckt wird.
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Sind in dem Speicher 8 beispielsweise 16 einzelnen Klassen zugeordnete
Zähler vorhanden, so muß auf jedem Speicherplatz des Festwertspeichers 7 eine Information
von 4 bits vorhanden sein, um jeden dieser Zähler zu adressieren. Hat der Zähler
6 eine Kapazität von z.B. 11 bits, so muß der Festwertspeicher 7 2 048 Speicherplätze
zu 4 bits enthalten, wenn die Zählkapazität der Vorrichtung voll ausgenutzt werden
soll. Die Adressierung eines einzelnen Klassenzählers im Speicher 8 erfolgt durch
einen dem Festwertspeicher 7 nachgeschalteten Multiplexer 9. Dieser leitet einen
Impuls der vom Ausgang des monostabilen Multivibrators 4 an seinen Eingang gelangt,
je nach durch
die 4-bit-Ausgänge des Festwertspeichers 7 erfolgten
Adressierung an einen der 16 im Speicher 8 enthaltenen Zähler weiter.
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Das dargestellte Ausführungsbeispiel funktioniert damit insgesamt
folgenermaßen: Nach einem erfolgten Zurücksetzen beim letzten R-Impuls beginnt der
Zähler, gesteuert durch den Takt des Oszillators 5, aufwärts zu zählen. Der Zählerstand
adressiert fortlaufend den Festwertspeicher 7, so daß die an dem jeweiligen Speicherplatz
befindliche Information an die Ausgänge desselben gelangt. Diese Information bestimmt,
in welchen Zähler des Speichers 8 ein Impuls einzuzählen wäre, wenn dieses der erreichte
Endzählerstand wäre. Wird der nächste R-Impuls am Eingang erfaßt, so erhöht der
durch den monostabilen Multivibrator 4 erzeugte Impuls den durch den Multiplexer
9 adressierten Zähler im Speicher 8. Der Zähler 6 wird auf den Wert ~0" zurückgesetzt.
Zu beachten ist dabei, daß das Zurücksetzen des Zählers mit einer gewissen zeitlichen
Verzögerung in Bezug auf das Einspeichern in den durch den Zähler 6 indirekt adressierten
Zähler des Speichers 8 erfolgt, damit der letztgenannte Vorgang noch ungestört stattfinden
kann.
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Die dazu erforderlichen Maßnahmen sind dem Fachmann bekannt, so kann
beispielsweise der Multiplexer 9 mit der Vorderflanke und der RESET-Eingang des
Zählers 6 mit der Rückflanke des Ausgangs impulses des monostabilen Multivibrators
4 angesteuert werden (in der jiqur angedeutet) oder aber es wird für eine Zwischenspeicherung
des jeweiligen Stands des Zählers 6 gesorgt.
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Die einzelnen in dem Speicher 8 enthaltenen Zähler stellen jeweils
ein Zählelement dar, wie es Gegenstand des Hauptpatents ist. Die das Zählen und
Auslesen des gespeicherten Wertes betreffenden Funktionen sind in dem zweiten (zb(ngenannten
Aufsatz d.lrgestellt.
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Wenn mehrere Histogramme zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen werden
sollen, besteht die Möglichkeit, eine zusätzliche Vorrichtung zur zeitlichen Steuerung
10 (gestrichelt dargestellt
) vorzusehen, durch die es möglich
ist, den Speicher 8 so aufzuteilen, daß die Registrierung der Zählerstände des Zählers
6 in Form von Ereignissen in Gruppen von einzelnen Klassen zugeordneten Zählern
so erfolgt, daß zu unterschiedlichen Zeiten verschiedene Zählergruppen adressiert
werden.
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Für eine bestimmte Anzahl von im Speicher 8 vorhandenen Zählern bedeutet
dies, daß die Zahl der während eines Zeitraums zur Registrierung von Ereignissen
zur Verfügung stehende Zahl von Klassen - und damit die erzielbare Auflösung des
Histogramms - um so stärker vermindert ist, je feiner die zeitliche Auflösung, d.h.
die Zahl der getrennt zu registrierenden Histogramme ist.
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Die Zeitsteuerung 10 wird ebenfalls vom Oszillator 5 getaktet, wobei
es durch eine entsprechende Herabsetzung der ursprünglichen Frequenz möglich ist,
ein Ausgangssignal zu erzeugen, das beispielsweise stundenweise seine Konfiguration
ändert. Wird das Ausgangssignal der Vorrichtung 10 dem Eingang des Festwertspeichers
7 als Teil der Adresse zugeführt, so ist es in einfacher Weise möglich, die im Speicher
8 enthaltenen Zähler mit Hilfe der im Festwertspeicher 7 festgehaltenen Daten auch
zeitabhängig zu adressieren. So können beispielsweise für einen ersten Zeitraum
acht der in dem Speicher 8 enthaltenen Klassenzähler herangezogen werden. Durch
die Vorrichtung 10 wird dazu das führende Bit bei der Adressierung des Festwertspeichers
7 so gesetzt, daß mittels der in einer Hälfte des Festwertspeichers 7 vorhandenen
Daten und dem Multiplexer 9 nur die ersten acht der Zähler im Speicher 8 adressierbar
sind. Der Stand des Zählers 6 vor dem Zurücksetzen bestimmt dabei, wie bisher, in
welchen dieser Zähler beim Auftreten des nächsten R-Signals ein Impuls einzuzählen
ist. Nach Ablauf des vorgegebenen Zeitraums ändert sich das Ausgangssignal der Vorrichtung
10 so, daß durch Umschaltung des führenden Bits die andere Hälfte der Speicherzellen
des Festwertspeichers 7 bei Hinzufügung des Zählerstandes des Zählers 6
als
weitere Adresse auswählbar ist. In dem nun beginnenden zweiten Zeitraum werden Impulse
nur noch in die zweite Gruppe von acht Zählern im Speicher 8 eingelesen, wobei die
Klasseneinteilung wie im ersten Zeitraum gewählt werden kann. Mittels der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist es aber ohne zusätzlichen Aufwand möglich, zu unterschiedlichen
Zeiten verschiedene Klassengrenzen und auch eine wechselnde Anzahl von Ereigni:-;
zählern im Speicher 8 zu benutzen. Eine Änderung der Programmierung ist bei der
Aufnahme mehrerer Histogramme ohne weiteres durch Auswechseln des Festwertspeichers
7 möglich, wobei zweckmäßigerweise der den Festwertspeicher 7 bildende Baustein
derartig mit mechanischen bzw. elektrischen Codierungen versehen ist, daß beim Einstecken
des entsprechenden Bausteins die erforderlichen Umschaltungen der Adressierung bei
der Aufnahme von Mehrfachhistogrammen automatisch vorgenommen werden. Günstig ist
beispielsweise, wenn die für die Vorrichtung 10 benötigten zusätzlichen Adreßeingänge
die höchstwertigen Bits des Zählers 6 ersetzen, so daß eine Eingrenzung des Meßbereichs
vorgenommen wird, oder aber die Bits mit dem niedrigsten Wert, so daß die Auflösung
bezüglich der gemessenen Herzfrequenzen verringert ist, um Festwertspeicher gleicher
Kapazität verwenden zu können. Andererseits ist es auch möglich, für das Ermitteln
von einem bzw. mehreren Histogrammen Festwertspeicher unterschiedlicher Kapazität
und damit unterschiedlicher Anzahl von Adreßeingängen zu benutzen.
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Es kann damit ohne weiteres den Erfordernissen bei unterschiedlichsten
Anwendungen Rechnung getragen werden.