DE2818768A1

DE2818768A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen der frequenz bzw. periodendauer eines signals

Info

Publication number: DE2818768A1
Application number: DE19782818768
Authority: DE
Inventors: Erich Courtin; Ruediger Dr Witt
Original assignee: Hewlett Packard GmbH Germany
Current assignee: Hewlett Packard GmbH Germany
Priority date: 1978-04-28
Filing date: 1978-04-28
Publication date: 1979-11-08
Also published as: GB2020043B; FR2424540B1; DE2818768C2; FR2424540A1; US4403184A; GB2020043A

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 möglich_s 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.

909845/0242

Hewlett-Packard GmbH
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.

303845/0242

Hewlett-Packard GmbH - 5 -

Int.Az.: DT 49 -.,,,-

2813788

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 gleichgerichtet_r 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.

909845/0242 ·

Hewlett-Packard GmbH - 6 -

Int.Az.: DT 49

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

909845/0242

Hewlett-Packard GmbH - 7 -

Int. Az.: DT 49

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-

903845/0242

Hewlett-Packard GmbH - 8 -

Int.Az.: DT 49

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.

909845/0242

Hewlett-Packard GmbH - 9 -

Int.Az.: DT 49

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 J^C(n,k) ⁺ ₂N (^Dn^D(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

^C(n,k) - φ j_o ⁽¹ - ρ?'"" ' [^D(n-m, " ^D (n-m-k)j ⁽⁴>

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

.-L-J

■'^{τ) α} t=t_o

*(t-T)

dabei sind F die Autokorrelation

f das ^zu untersuchende Sigral

909845/0242

Hewlett-Packard GmbH - 10 -

Int.Az.: DT 49

α die äquivalente Datenlänge

(Zeitkonstante),
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

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.

909845/02*2

Hewlett-Packard GmbH - 11 Int.Az.: DZ 49

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

909845/0242

Hewlett-Packard GmbH - 12 Int.Az.: DT 49

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 Q2_f 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.

09845/0242

Hewlett-Packard GmbH - 13 Int.Az.: DT 49

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

909845/0242

Hewlett-Packard GmbH -14-

Int. Az.: DT 49

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.

909345/02Ä2

Hewlett-Packard GmbH - 15 -

Int.Az.: DT 49

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

909845/0242

Hewlett-Packard GmbH - 16 -

Int.Az.: DT 49

28Ί8768

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-

0-9S45/0242

Hewlett-Packard GmbH - 17 -

Int.Az.: DT 49

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-

909845/0242

Hewlett-Packard GmbH " ¹⁸ ·

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).

909845/0242

Hewlett-Packard GmbH - 19 -

Int.Az.: DT 49

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.

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.

909845/0242

-IV-

Leerseite

Claims

Hewlett-Packard GmbH L Int. Az.: DT 49, 26. April 1978 - PATENTANSPRÜCHE

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

909*45/024*

Hewlett-Packard GmbH

Int. Az.: DT 49 -Z-

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.

909845/0242