DE2818768A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen der frequenz bzw. periodendauer eines signals - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum messen der frequenz bzw. periodendauer eines signalsInfo
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Description
Int. Az.: DT 49 26. April 1978 -
Hewl ett-Packard GmbH 2818768
VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM MESSEN DER FREQUENZ BZW. PERIODENDAUER
EINES SIGNALS
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung
zum Messen der Frequenz bzw. Periodendauer der Grundschwingung eines annähernd periodischen Signals mit statistisch verteilten Spektral anteil
en unter Anwendung der Autokorrelation gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 3.
Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung sind aus der
DE-OS 25 46 856 bekannt. Demgemäß ist es möglichs die Frequenz bzw.
Periodendauer eines Signals in Echtzeit genau zu bestimmen, d.h. im wesentlichen nach Ablauf der Periode bereits deren Dauer anzuzeigen.
Auf diese Weise können insbesondere nach dem Dopplerprinzip aus dem fötalen Herzschlag gewonnene Ul traschall signale als Grundlage für
eine genaue Herzschlagsfrequenzmessung benutzt werden. Die Anwendung der Korrelationstechnik zur Verbesserung der Herzfrequenzmessung wird
jedoch mit dem Nachteil erkauft, daß beim Autokorrelieren die Phaseninformation
über den Herzschlag verlorengeht. Daher ist weder eine Schlag-zu-Schlag-Anzeige der Herzfrequenz noch eine optische oder
akustische Schlaganzeige möglich.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde das Verfahren
bzw. die Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß eine Anzeige der Schlagzeitpunkte möglich wird. Die
Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen 1 und 3 gekennzeichnet.
Gemäß Ansprüchen 2 und 4 ist auch eine Ausgabe der Herzfrequenz zu
den Schlagzeitpunkten möglich. Hierdurch wird eine gegenüber dem bekannten Verfahren und der bekannten Vorrichtung noch weiter verbesserte
Genauigkeit der Frequenzanzeige erreicht.
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Hewlett-Packard GmbH
Int. Az.: DT 49
Int. Az.: DT 49
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in
Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 das Gesamt-Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Periodendauer-
bzw. Frequenzmessung;
Figur 2 ein detailliertes Blockschaltbild der in Figur 1 enthaltenen
Signal aufbereitungseinrichtung;
Figur 3 ein Blockschaltbild des in Figur 1 enthaltenen Korrelators;
Figur 4 das Schaltbild des in Figur 1 enthaltenen Spitzenwert-Detektors;
Figur 5A und 5B Kurvenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise des Spitzenwert-Detektors nach Figur 4;
Figur 6 ein Blockschaltbild der in Figur 1 enthaltenen Rechenschaltung
zur Ableitung der Signal frequenz aus dem Abstand der Spitzenwerte in der Autokorrelationskurve;
Figur 7 Kurvenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung
nach Figur 6;
Figur 8 ein Blockschaltbild der in Figur 1 enthaltenen Steuerungseinrichtung;
und
Figur 9 ein Blockschaltbild einer Ausgabeschaltung zur Schlaganzeige.
In Figur 1 ist schematisch das Herz 1 eines Fötus 2 dargestellt, der sich
im Mutterleib 3 befindet? Mit 4 ist ein Ultraschall aufnehmer bezeichnet,
der die vom Herzen 1 reflektierten Ultraschallsignale aufnimmt und über eine geeignete Zwischenschaltung 5 an eine Signalaufbereitungseinrichtung
10 weiterleitet. Zur Vereinfachung der Darstellung ist der Ultraschal !sender, dessen Frequenz im vorliegenden Beispiel 2,1 MHz beträgt,
nicht dargestellt. Die Signalaufbereitungseinrichtung 10 wird weiter unten näher beschrieben.
Das in der Signalaufbereitungseinrichtung 10 aufbereitete Signal gelangt
in den Korrelator 20, der eine Autokorrelationskurve an einen Spitzenwertdetektor 30 abgibt, welcher den Abstand zwischen dem Ursprungsspitzenwert
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.
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Das der Herzschlagfrequenz 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 Fig. 2 ist die in Fig. 1 mit 10 bezeichnete Signalaufbereitungseinrichtung
im Blockschaltbild dargestellt. Das Eingangssignal 101 wird zunächst durch ein Bandpaßfilter 103 geleitet, welches im vorliegenden
Beispiel einen Frequenzbereich von 300 bis 1000 Hz durchläßt, so daß das Klappensignal ganz durchgelassen wird, das Blutflußsignal
und das Muskelsignal jedoch ganz bzw. teilweise unter-drückt werden. Das Ausgangssignal des Bandpaßfilters 103 wird in
einem Verstärker 105 mit spannungsgesteuertem Verstärkungsfaktor verstärkt,
in einem Hüllkurvendetektor 107 gleichgerichtetr in einem
Filter 109 geglättet und dann einem nicht linearen Dynamikumformer 111 zugeführt. Die Bauteile 105, 107, 109 und 111 bilden zusammen
mit einer Rückkopplungssteuerung 113 eine erste Regelschleife 110.
Der Verstärker 1G5 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 nicht lineare Dynamikwandler 111 ist ein quasi^logarithmischer
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 zux
anderen.
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Das Ausgangssignal des Dynamikwandlers 111 wird auii der Rückkopplungssteuerung
113 zur Erzeugung des Rückkopplungssignals der ersten Regelschleife 110 zugeführt. Da sich das negativ
exponentielle Verhalten des Vetstärkers 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 Additionsverstärker 119 mit variablen Koeffizienten wieder gemischt werden. Der Additionsverstärker 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 Sät-1tigung
zu gehen.
Das Ausgangssignal des Additionsverstärkers 1T9 wird einer zweiten
Regelschlei.ze 120 zugeführt, die wie die erste Regelschleife 110 einen Verstärker 121 mit spannungsgesteuertem Verstärkungsfaktor
einen Hüllkurvendetektor 123 und eineRückkopplungssteuerung
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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 Fig. 8 beschriebenen Steuereinrichtung
verarbeitet.
In Fig. 3 ist das Blockschaltbild des in Fig. 1 mit 20 bezeichneten
Autokorrelators dargestellt. Die Eingangsklemme 201
ist mit der Ausgangsklemme 129 (Fig. 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 und 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 einer Zirkulationssteuerung 207 wird eine Zirkulationsschleife 210
für 257 Worte gebildet. Betrachtet man einen umlauf von 256 Worten als eine Zirkulationsperiode, scheint die Zirkulationsschleife 210 ihren Inhalt je Periode um einen Schritt zu verschieben.
Nach jedem Umlauf wird in den ersten Speicherplatz an Stelle des dort ankommenden ältesten Datenv/ortes ein neues
Datenwort eingegeben.
Die Abtastfrequenz beträgt im vorliegenden Fall 200 Hz entsprechend
einer Abtastperiode von 5 ms. Wenn die Zirkulationsschleife zwischen zwei'Abtastzeitpunkten einmal mit 256 Schritten
umläuft, ergibt sich eine Taktzeit von 19,6 ys entsprechend einer Frequenz von 51,02 kHz.
Der erste Multiplizierer 213 bildet Produkte aus den im Schieberegister 209 enthaltenen Datenworten und dem im Ein-
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gangspuffer 205 enthaltenen Datenwort. Pro Umlauf erscheint
an der Zirkulationssteuerung 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 Multiplizierers 213 für den
k-ten-schritt der n-ten-zirkulationsperiode das Produkt
P(n,k) = Dn · D(n-k) {1)
k kann auch als logischer Speicherplatz des Datenregisters, und η kann auch als die Echtzeit betrachtet werden. D sind
die 4 Bit langen Datenwörter, und P ist das maximal 8 Bit lange Produkt.
Werden diese P. , . für jedes k über eine bestimmte Periode
(n,ky ^
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 exponentielle Integration wird ein solcher großer
Speicher entbehrlich.
Ein erster Addierer 215 addiert den Ausgangswert des ersten Multiplizierers 213- zu dem Komplement des jeweils alten
Korrelationswertes in einem Korrelationsregister 223. Der Korrelationswert gelangt über einen Ausgangspuffer 225 und
einen Komplementierer 231 in den ersten Addierer 215. Dessen
Ausgangswert ist
. S(n,k) = P(n,k) " C(n-k)
dabei ist C der Korrelationsv/ert und S die Zwischensumme
Die Zwischensumme S. . . wird in einem zweiten Multiplizierer
217 mit einer an einem Eingang 219 vorgegebenen positiven
N 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 N
eine natürliche Zahl ist.
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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 Zirkulationsschleife 233. Eine weitere Zirkulationsschleife umfaßt außerdem noch
den Komplementierer 231, den ersten Addierer 215 und den
zweiten Multiplizierer 217. Diese beiden Schleifen laufen synchron mit der Zirkulationsschleife 210 um. Für die Korrelationswerte
in der Schleife 233 gilt
C(n+l,k) = C(n,k)' + ^N" (P(n,k) " C(n,k)j
" Γ 2N JC(n,k) + 2N (DnD(n-k)) (3)
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 Zeitkonstante kleiner werden und daß die hinzukommenden
neuen Produkte die bestehenden Korrelationswerte auffrischen. Integriert (summiert) man die Gleichung (3), so
ergibt sich
Unter der Voraussetzung, daß N groß ist, entspricht diese Gleichung dem analogen Autokorrelations-Integral
.-L-J
■'τ) α t=to
*(t-T)
dabei sind F die Autokorrelation
f das zu untersuchende Sigral
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α die äquivalente Datenlänge
(Zeitkonstante),
t die Echtzeit,
t die Echtzeit,
t der In-tegrationsparameter (< O) und τ die Zeitverschiebung.
Vergleicht man die Gleichungen (4) und (5) miteinander, so ergibt sich für die äquivalente Datenlänge
T = α = m · (5 msec) (6)
eq eq
M | m eq |
5 | 32 |
6 | 64 |
7 | 128 |
8 | 256 |
9 | 512 |
Unter der Voraussetzung, daß N groß ist, gilt
m =2 bzw. N = log_ m eq 2 eq
Aus den Gleichungen (6^(7) läßt sich folgende Tabelle ableiten:
T.
eq
eq
160 ms 320 ms
640 ms 1,28 s 2,56 s
Für die mögliche fötale Herzschlagperiode (283 bis 1250 ms entsprechend 48 bis 212 Schlägen pro Minute) sind die passenden
Werte N dementsprechend 6, 7 oder 8. Zwischen diesen Werten kann sich-N von Periode zu Periode ändern.
Am Ausgang 229 des in Fig. 3 dargestellten !Correlators erscheint
alle 5 ms sein gesamter Registerinhalt für alle Zeitverschiebungswerte. Das Signal am Ausgang 229 kann nach
Umwandlung in analoge Form auf einem Oszillografen als Autokorrelationskurve
sichtbar gemacht werden, wenn dieser Oszillograf entsprechend der Zirkulationsperiode alle 5 ms getriggert
wird.
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Der Ausgangspuffer 225 weist einen Rückstelleingang 227 auf,
über den der Inhalt der Zirkulationsschleife 233 ganz oder teilweise gelöscht werden kann.
Der Korrelator gemäß Fig. 3 entspricht in Aufbau und Arbeitsweise weitgehend dem Korrelator Modell 3721A von Hewlett-Packard.
In Fig. 4 ist die Schaltung des in Fig. 1 mit 30 bezeichneten
Spitzenwertdetektors dargestellt. Die Eingangsklemme 301 ist mit dem 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 Sl betätigt. Der Schalter Sl läßt
die Autokorrelationskurve während jeder ungeraden Zirkulationsperiode zu einem Verstärker 310 durch und sperrt sie während
jeder geraden Zirkulationsperiode.
Im Verstärker 310 wird der Spitzenwert des ankommenden Signals von einem Operationsverstärker 307 zwei Haltekondensatoren
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, Rl enthält.
Der Kondensator 315 liegt wegen seines Anschlusses am Eingang eines Operationsverstärkers 317 virtuell an Masse, während
der Kondensator 313 unmittelbar an Masse gelegt ist. Die Spannungen an beiden Kondensatoren folgen der Ausgangsspannung
des Operationsverstärkers 307, solange diese ansteigt. Wegen der Dioden D2 und D3 sinkt die Spannung an den Kondensatoren
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315 und 313 jedoch nicht ab, wenn die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 307 abfällt.
Die Entladezeitkonstante des Kondensators 313 ist wesentlich langer 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 Herzschlagperioden möglich.
Die Spannung am Kondensator 313 kann daher als der höchste 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 S2 und S3 für ein sehr kurzes Zeitintervall am Beginn jeder Taktperiode.
Zu diesen Zeitpunkten wird die Spannung am Kondensator 313 über den Operationsverstärker 311 und einer Diode D4 zum
Kondensator 315 übertragen. Der Schalter S3 bewirkt, daß ein Zeitglied 320 zurückgestellt und gestartet wird. Das Zeitglied
320 weist einen Kondensator C, auf, der vom Startzeitpunkt an kontinuierlich aufgeladen wird. Ein Komparator 321
bleibt zunächst auf seinem unteren Ausgangspegel und sperrt
einen Feldeffekttransistor Q2f so daß das Aufladen des Kondensators
315 nicht beeinflußt wird. Nachdem der Kondensator C- jedoch den Schwellwert des Komparators 321 erreicht hat,
geht dieser an seinem Ausgang auf einen höheren Pegel, wodurc 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 R2
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.
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Die Rückstellung und der Start des Zeitgliedes 320 kann außer mit dem Schalter S3 auch durch einen Transistor Ql
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 Ql durch, so daß in der Folge der Transistor Q2 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 Echtzeitsignals entspricht.
In Fig. 5 sind die Signalverläufe an den in Fig. 4 mit a bis η
bezeichneten Punkten dargestellt. Es ist ersichtlich, daß beim zweiten Umschaltzeitpunkt t3 des Zeitgliedes 320 (das erste
Umschalten entspricht dem Ursprungsspitzenwert bzw. der Betätigung des Schalters S2) der Lage des wesentlichen Spitzenwertes der Autokorrelationskurve entspricht. Mittels eines
monostabilen Flipflops 323 (Fig. 4) wird ein Impuls g erzeugt, der über ein UND-Glied 327 an die Ausgangsklemme 329 des
Spitzenwertdetektors abgegeben wird. Die Abstiegsflanke des Impulses g bewirkt das Setzen eines Flipflops 325, welches
seinerseits über ein Signal j das UND-Glied für den Durchlaß weiterer, den nachfolgenden Spitzenwerten der Auto-Korrelationskurve
entsprechenden Impulsen sperrt. Das Flipflop 325 ist durch ein weiteres Zeitglied 330 wieder rückstellbar. Der
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Rückstellzeitpunkt ist so gewählt, daß er kurz nach dem Ursprungsspitzenwert liegt. Das Ausgangssignal d des
Polaritätsdetektors 317 ist über eine Ausgabeschaltung 319 auch, als Signal man einem zusätzlichen Ausgang
abgreifbar.
Der vorstehend beschriebene Spitzenwertdetektor entspricht in Aufbau und Wirkungsweise im wesentlichen dem in der
deutschen Auslegeschrift 2 143 971 beschriebenen Spitzenwertdetektor.
Gegenüber letzterem ist er jedoch dahingehend abgewandelt, daß er nicht direkt eine gegebene
Signalkurve in Echtzeit abtastet/ sondern die. Autokorrelationskurve in einem verkürzten Zeitmaßstab.
Abgesehen davon erfolgt die Messung vom durch den Taktgeber festgelegten Ursprung bis zum ersten wesentlichen
Spitzenwert und nicht zwischen zwei Spitzenwerten. Da in einem komprimierten Zeitmaßstab gearbeitet wird, d.h.
zwischen zwei Herzschlägen bis zu 256 Messungen vorgenommen werden, können während der laufenden Herzschlagperiode
falsche Meßwerte eliminiert und durch bessere ersetzt werden, während bei einer Echtzeitmessung erst
in der nächstfolgenden Herzschlagperiode ein neuer Meßwert erhalten werden kann.
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In Fig. 6 ist der in Fig. 1 mit 40 bezeichnete Kehrwertbildner dargestellt. Die zugehörigen Signalverläufe zeigt Fig. 7.
Ein Funktionsgenerator 4o3 erzeugt eine 1/t-Hyperbel. Dem Funktionsgenerator
403 wird an seinem Eingang 402 die halbe Taktfrequenz von 100 Hz zugeführt, die am Ausgang 339 des Spitzenwertdetektors
· (Fig. 4) anliegt. Die Erzeugung der 1/t-Hyperbel erfolgt auf einen Impuls hin. Zum interessierenden Zeitpunkt
wird diese Hyperbel abgetastet, und der so erhaltene Abtastwert stellt ein direktes Maß für die dem gemessenen Zeitintervall
entsprechende Frequenz dar. Im vorliegenden Beispiel ist die Hyperbel gegenüber dem Ursprung um eine Verzögerungszeit T .,
verschoben, die der Verzögerungszeit des Zeitgliedes 320
(Fig. 4) entspricht. Um unnötig hohe Koordinatenwerte der Hyperbel zu vermeiden, bleibt der Funktionsgenerator 403
außerdem noch für eine Zeitdauer T auf einem konstanten Wert, ehe er mit der Erzeugung der Hyperbel beginnt.
Das Signal η am Ausgang 329 des Spitzenwertdetektors (Fig. 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.
Der Öffnungs- und der Schließzeitpunkt des Zeitfensters sind
in Fig. 7 mit t.... und t.. bezeichnet. Der Zeitfenstererzeuger
4Ο7 wird seinerseits vom gemessenen Frequenzwert geregelt, der zur Stabilitätserhöhung über einen Tiefpaß 415 geleitet wird.
Ein Fehlerdetektor 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
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zwischen 4 8 und 212 Herzschlägen pro Minute, um eine Übersteuerung
der Anzeige 6 bzw. des Schreibers 7 (Fig. 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, derart, daß nur auf ein eingegebenes Signal hin der Wert am
Ausgang 419 aktualisiert wird.
In Fig. 8 ist die in Fig. 1 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 Figuren 2, 4, 6 anstehenden Signale und gibt an ihren Ausgängen 521, 523, 525 und 533 Steuersignale an die
Geräte 6 und 7 (Fig. 1) und die Eingänge 42O, 127 und 219 (Figuren 6, 2 und 3) ab. Durch die Steuerssignale 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 51 >
logisch 0. Das Aus gangs signal des UND-Gliedes 51.3 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 Ä'nderungsgeschwindig-
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rüfung er-
keit der berechneten Herzschlagfrequenz. Diese Prüfung folgt durch ein Differenzierglied 529, dem über einen Eingang
527 das am Ausgang 412 (Fig. 6) ankommende Signal zugeführt wird. Wenn der Spitzenwertdetektor auf einen falschen Spitzenwert
angesprochen hat oder wenn kein Spitzenwert vorhanden war, ändert sich die Herzfrequenz plötzlich innerhalb von 10ms ·
sehr stark. Da sich die tätsächliche 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 ein 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 420 der
zweiten Abtastschaltung 413 (Fig. 6) zugeführt,und schaltet diese durch, wenn es logisch 1 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. 1) 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 Ausgangsignal des UND-Gliedes 515 noch zusammen
mit dem Signal am Eingang 527 einer Steuerschaltung für die in Fig. 2 dargestellte Koeffizientenmatrix 119 zugeführt.
Steuerschaltung 519 und Koeffizientenmatrix 119 sind weiter unten in Verbindung mit Fig. 10 näher erläutert.
Das am Eingang 527 ankommende Herzfrequenzsignal wird schließlich noch in einem Klassifizierer 531 einem von drei Bereichen zuge-
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wiesen, denen verschiedene Werte von N (Figur 3) in folgender Weise
zugeordnet sind:
Herzschlagfrequenz , N
(Schläge pro Minute)
über 160 6
80 - 160 7
unter 80 8
Die entsprechende Signale werden über einen Ausgang 533 dem in Figur 3 mit 219 bezeichneten Eingang des Multiplexers 217 zugeführt.
In Figur 9 ist dargestellt, wie sich erfindungs gemäß aus der Autokorrelationskurve
eine Schlaganzeige ableiten läßt. Das Signal am Ausgang 229 (Figur 3) des !Correlators 20 wird über einen Schalter
601 zusätzlich einem Spitzenwertdetektor 603 zugeführt. Der Spitzenwertdetektor 603 hat grundsätzlich den gleichen Aufbau wie der in
Figur 4 dargestellte Spitzenwertdetektor 30. Die Haltezeit des Spitzenwertdetektors 603 ist jedoch wesentlich länger als die des
in Figur 4 dargestellten Spitzenwertdetektors. Sie beträgt etwas weniger als die kleinste zu messende Periodendauer. Der Spitzenwertdetektor
603 gibt an,seinem Ausgang 605 ein Signal ab, wenn am Eingang 201 (Figur 3) des !Correlators (20) ein neuer Herzschlag
eintrifft, da immer dann das zeitliche Maximum des auf den Ursprungsspitzenwert folgenden Spitzenwertes der Autokorrelationskurve
auftritt.
Der Schalter 601 wird so gesteuert, daß nur der interessierende Teil der Autokorrelationskurve um den Hauptspitzenwert herum
über den Spitzenwertdetektor 603 läuft. Die Steuerung des Schalters erfolgt über ein Flipflop 607, das den Schalter geschlossen
hält, wenn es qesetzt ist, und ihn ansonsten geöffnet läßt. Das Setzen des Flipflops 607 erfolgt über eine Verzögerungsschaltung
609 durch das Startsignal der Steuerschaltung 335 (Figur 4).
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Gelöscht wird das Flipflop 607 durch das Ende des Zeitfenstersignals
des Zeitfenstererzeugers 407 (Figur 6). Die Verzögerungszeit der Verzögerungsschaltung 609 ist etwas kleiner als die
kleinstmögliche zu messende Periodendauer geteilt durch 200 entsprechend der Abtastfrequenz von 200 Hz.
kleinstmögliche zu messende Periodendauer geteilt durch 200 entsprechend der Abtastfrequenz von 200 Hz.
Während einer Echtzeit-Periodendauer laufen somit etwa 100 Spitzenwerte
in den Spitzenwertdetektor 603 ein, entsprechend der Anzahl der ausgegebenen Autokorrelationskurven am Ausgang 229 (Figur 3).
Der höchste Spitzenwert davon bewirkt dann jeweils ein Ansprechen des Spitzenwertdetektors 603.
Die beschriebene Schaltung hat den Vorteil, daß eine phasenrichtige
Ausgabe des Herzschlages am Ausgang 605 möglich ist, wobei gleichzeitig
das günstige Signal/Rausch-Verhältnis einer kontinuierlichen
Korrelation erhalten bleibt. Dadurch ergibt sich auch eine sehr hohe Triggerzuverlässigkeit, wenn man das Signal am Ausgang
605 als Freigabesignal für die Frequenzausgabe benutzt, was dadurch geschehen kann, daß dieses Signal in den Eingang 420 (Figur
6) eingegeben wird.
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-IV-
Leerseite
Claims (4)
1. Verfahren zum Messen der Frequenz bzw. Periodendauer der Grundschwingung
eines annähernd 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 und wobei die
Länge der Signalabschnitte, die autokorreliert werden, entsprechend der jeweils zuvor gemessenen Periodendauer des Signals
so nachgestellt wird, daß sie im wesentlichen äner Periodendauer entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils
das zeitliche Maximum des nächsten Spitzenwertes festgestellt' wird und bei seinem Auftreten ein Signal abgegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge ke nnzeich-
n e t , daß die Frequenz bzw. Periodendauer der Grundschwingung jeweils bei Auftreten des zeitlichen Maximums ermittelt wird.
3. Vorrichtung zum Messen der Frequenz bzw. Periodendauer der Grundschwingung
eines annähernd periodischen Signals mit statistisch verteilten Spektral anteil en 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, wobei die Stelleinrichtung derart mit der Einrichtung zum Messen des zeitlichen Abstandes verbunden ist, daß
sie die Länge der zu korrelierenden Signalabschnitte entsprechend
der jeweils zuvor gemessenen Periodendauer nachstellt, gekennzeichnet durch einen Spitzenwertdetektor (603)
zum Feststellen des zeitlichen Maximums des nächsten Spitzenwertes
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und zur Abgabe eines Signals (605) beim Auftreten dieses Spitzenwertes.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Freigabeeinrichtung, die die Frequenz- bzw. Periodenmessung
der Grundschwingung jeweils bei Auftreten des zeitlichen Maximums freigibt.
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