DE2823880C3 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem medizinischen Gerät zur kontinuierlichen Bestimmung des Herzminutenvolumens und Schlagvolumens des menschlichen Herzens mit einem Vierpol-Impedanz-Rheographen samt Körperelektrodcn zum Anlegen an den Thorax eines Patienten und einer zugehörigen Rechenschaltung zur Verrechnung aes differenzierten Rheogramms mit Impedanzgrundwert, Elektrodenabstand und spezifischem Blutwiderstand, wobei in der Rechenschaltung die von den negativen Anteilen der differenzierten Impedanzkurve mit der Abszisse eingeschlossenen Fläche kontinuierlich ausgewertet wird und zum Zwecke der »Beat-to-Beat«-Messung die Rechenschaltung einen Integrator zur Bestimmung des Integrals der Impedanzkurve mit nachgeschaltetem Sample & Hold-Glied zur Speicherung über eine Herzperiode und zugehörige Steuerglieder enthalt. Ein derartiges Gerät ist Gegenstand der Ansprüche I, 2 und 5 des Hauptpatents (DE-PS 26 20 285).

Im Hauptpatent wurde gezeigt, daß es zur automatischen Bestimmung des Schlagvolumens SV aus dem Rheogramm sinnvoll ist, die von Kubicek et al. angegebene Gleichung

.ST =

I/

V ei/ )„„„

lurch die Gleichung

SV = -η -T-K\Zdt

zu ersetzen. Dabei bedeuten ρ der spezifische elektrische Blutwiderstand, L der Abstand der Meßelektroden des Vierpol-Rheographen, Za der Impedanzgrundwert, Z der differenzierte Impedanzmeßwert, T die Austreibungszeit und K eine weitere Proportionalitätskonstante, welche summarisch die anatomischen und hämodynamischen Gegebenheiten berücksichtigt

Entsprechend dem Hauptpatent wird mittels Rechenschaltung die von den negativen Anteilen der differenzierten Impedanzkurve mit der Abszisse eingeschlossene Fläche kontinuierlich ausgewertet In Weiterbildung nach Anspruch 2 des Hauptpatentes wird das differenzierte Impedanzsignal einweggleichgerichtet und ein Integrator mittels Steuerglieder so gesteuert daß die von der negativen, differenzierten Impedanzkurve während der systoiischen Phase überstrichene Fläche aufsummiert wird. Der Integrationswert wird in einem Sample & Hold-Glied über eine Herzschlagperiode festgehalten und nach weiterer Verrechnung entsprechend Gleichung (2) direkt als Schlagvolumen SV angezeigt. Speziell für die »Beat-to-Beat«-Messung sind dabei aber ein EKG-R-Zacken-Trigger und ein Nulldetektor für das differenzierte Impedanzsignal als Steuerglieder für den Integrator notwendig. 3ei solcher Messung muß also jeweils separat noch das EKG abgenommen werden.

Bei Bewährung eines so arbeitenden Gerätes in der medizinischen Praxis hat sich gezeigt, daß bei Routinemessungen oft die separate EKG-Abnahme zu aufwendig ist. Es ist in vielen Fällen erstrebenswert, auch ohne QRS-Detektor für das EKG auszukommen. Allerdings soll der Verzicht einer EKG-R-Zacken-Triggerung keine Verminderung der Meßgenauigkeit mit sich bringen.

Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung ist es daher, das Gerät nach dem Hauptpatent so weiterzubilden, daß wahlweise auch »Beat-to-Beat«- Messungen des Schlagvolumens bzw. Herzminutenvolumens ohne separate EKG-Abnahme und R-Zacken-Triggerung durchgeführt werden können.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Der Erfindung lag eine Analyse des möglichen Impedanzsignalverlaufs während der Herzschlagperiode zugrunde. Dieser ist - wie im Impulsdiagramm nach Fig. 1 des Hauptpatents dargestellt - mit dem EKG korreliert. Speziell beim Gerät nach dem Hauptpatent lieferte die R-Zacke das Startsignal und ein Nulldetektor für das Impedanzsignal das Rücksetzsignal für den Integrator. Dabei war ausgeschlossen, daß der Nulldetektor bei möglichen Überschwingungen unmittelbar nach einer R-Zacke ansprach. Wird nun auf eine R-Zacken-Triggerung verzichtet, müssen Startsignal und Rücksetzsignal des Integrators jeweils vom Impedanzsignal selbst abgeleitet werden, Dies bringt bei normalen differenzierten Impedanzkurven, die während der gesamten Diastolendauer positiv bleiben, keine Schwierigkeiten mit sich. In der Praxis gemessene Impedanzkurven entsprechen allerdings häufig nicht diesem Idealverlauf, sondern weisen unter Umständen zwischen den systoiischen Peaks, die ein Maß für das Schlagvolumen sind, auch Nulldurchgänge in Diastole auf. Ein solcher Verlauf ist beispielsweise im Impulsdiagramm nach F i g, 2A dargestellt. Eine lediglich durch die Vorzeichen des Impedanzsignals gesteuerte Re-(2) chenschaltung würde nun auch die Zwischenbereiche als

Schlagvolumen auswerten und so zu falschen Meßwerten führen. Durch Einschaltung des Spitzenwertspeichers und Vergleich des anstehenden Maximums mit einem einstellbaren Schwellwert für das Schlagvolumen werden positive Anteile des Integrationssignals während der Diastole von der Weiterverarbeitung ausgeschlossen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der F i g. 1 bis 3b erläutert Es zeigt

F i g. 1 das Meßgerät im Prinzipschaltbild,

Fig.2 Impulsdiagramme der an den einzelnen Schaltungspunkten gemäß Fig. 1 auftretenden Signalspannungen und

F i g. 3a und 3b zwei verschiedene Möglichkeiten zur Einstellung des Schwellwertes S.

In der F i g. 1 sind mit 101 und 102 die Ausgange eines Impedanzkardiographen bezeiehnf.·. der in der Hauptarinieldung mit 1 bezeichnet ist. Arn Ausgang 101 steht der Meßwert der Grundimpedanz Za, am Ausgang 102 das negative differenzierte Impedanzsignal — (dZ/df^= —Zan. Das Signal —Zwird mit den pauenten- bzw. ^erätespezifischen Konstanten o, L- und K multipliziert. Dazu sind in der Meßleitung entsprechende Potentiometer 102 bis 105 angeordnet, an denen die Konstanten eingestellt werden können. Das Signal Zo wird in einem Quadrierer 106 qufdriert. in einem

id Dividierer 107 wird der Quotient aus dem negativen differenzierten, aufbereiteten Impedanzsignal und qua-. drierten Impedanzgrundwert Zt,² gebildet.

So weit ist die Schaltung im Prinzip aus dem Hauptpatent bekannt. Dem Dividierer 107 ist nun ein

j) Integrierer 108 zur Bestimmung der von der differenzierten Impedanzkurve eingeschlossenen Fläche mit einem anschließenden Spitzenwertspeicher 109 und einem Sample & Hold-Glied 110 nachg^schahet. Das Ausgangssignal des Sample & Hold-Gliedes 110 wird

w direkt auf eine Anzeigeeinheit 111 gegeben und als Sjhlagvolumen SV angezeigt. Dem Integrierer 108 ist als Polaritätserfasser ein erster Komparator 112 parallelgeschaltet, der das Signal des Dividierers 107 (negatives differenziertes und entsprechend Gleichung

4", (2) aufbereitetes Impedanzsignal) mit Nullwert vergleicht und das Vorzeichen feststellt. Der zweite Eingang des Komparator 112 liegt daher auf Nullpotential. Vom Komparator 112 wird ein Rücksetzsignal zum Integrierer 108 gegeben und weiterhin ein

Vi Eingang eines ersten monostabilen Multivibrators 115 (erstes Mono-Flop} angesteuert. Dieses Monoflop 1115 liefert dann einen Ausgangsrechteckimpuls, wenn das AirgEngssignal des Komparato.-s 112 abfällt und das Ausgangssignal eines zweiten Komparators 113 positiv

v> ist. Der zweite Komparator 113 vergleicht das Signal des Spitzenwertspeichers 109 mit einem in einer Einheit 114 einstellbarsn Schwellwert. Das Ausgangssignal des ersten Mono-Flops 115 wird einerseits auf das Sample St Hold-Glied 110 gegeben und triggert andererseits mit

wi seiner fallenden Flanke einen zweiten monostabilen Multivibrator 116 (zweites Mono-Flop). Dei-sen Ausgangssignal wird als Rücksetzimpuis für den Spitzenwertspeicher 109 verwendet. Weiterhin wird das Ausgangssignal des ersten Mono-Flops auf einen

h> Frequenzmesser 117 gegeben und in der Anzeigeeinheit 118 als Pulsfrequenz angezeigt. Durch Multiplikation des Meßwertes für das Schlagvolumen SV mit dem Frequenzmeßwert /in einem Multiplizierer 119 kann

auch das Herzminutenvolumen HMV direkt in einer Anzeigeeinheit 120 angezeigt werden.

Die Komparatoren 112 und 113 sind über gekoppelte Schalter 121 an das erste Mono-Flop 115 angeschaltet. In der anderen Stellung des Umschalters kann statt der ^r. Komparatoren 112, 113 ein QRS-Detektor 122 eines EKG-Gerätes angeschaltet werden. In diesem Fall ergibt sich dann die gleiche Auswertung wie im Hauptpatent.

Die Funktion der in Fig. 1 beschriebenen Schaltung wird anhand der Impulsdiagramme nach Fig. 2 erläutert. Im Diagramm A ist das negative differenzierte und aufbereitete Impedan/.signal dargestellt. Die zu erfassende Fläche ist schraffiert gezeichnet. Mit Sist das Ausgangssignal des Integrierers 108 bezeichnet. Der r, Integrierer 108 wird vom Komparator 112 gesteuert und summiert alle über Nullpotential verlaufenden Kurvenflächen auf. Es werden also auch die Flächenanteile zur Integration erfaßt, die zwischen den systolischen Bereichen liegen und nicht zum Schlagvolumen >n beitragen. Zur Eliminierung dieser Flächen, die das Meßergebnis verfälschen würden, wird daher der aufsummierte Wert jeweils mit einem einstellbaren Schwellwert S verglichen. Dazu wird zweckmäßigerweise der Maximalwert des Integrators 108 von dem >-> nachfolgenden Spitzenwertspeicher 109 übernommen. Dieser Meßwert wird einerseits auf das Sample & Hold-Glied 110 und andererseits auf den Komparator 113 gegeben. Liegt dieser Meßwert über dem einstellbaren Schwellwert 5. wird auf das Mono-Flop i< > 115 ein Signal gegeben. Das zweite Steuersignal für das Mono-Flop 115 kommt vom ersten Komparator dann, wenn das Impedanzsignal von einem positiven Wert durch Null (d.h. mit ansteigender Flanke) geht. Das Mono-Flop 115 gibt dann einen Impuls ab, der für das r> Sample & Hold-Glied 110 den Sample-Impuls darstellt. Gleichzeitig triggert die fallende Flanke des MonoFlops 115 das weitere: Mono-Flop 116 zur Erzeugung eines Signals, das den Spitzenwertspeicher 109 auf Null setzt und zur Aufnahme neuer Werte bereitmacht. Der in in diesem Fall vom Sample & Hold-Glied 110 gesampelte Meßwert kann also als exakter Schlagvolumenwert ^V aul der Anzeigecinheii iii ange/.eigi werden.

Erhält dagegen der Komparator 113 ein Vergleichssignal, das unter dem Schwellwert S liegt, wird kein Ausgangssignal gegeben. Die monostabilen Multivibratoren 115 und 116 werden in diesem Fall nicht getriggert: Sample & Hold-Glied 110 bekommt kein Sample-Signal und der Spitzenwertspeicher 109 wird in nicht zurückgesetzt, sondern hält den vorher vom Integrator 108 übernommenen Meßwert. Erst wenn in der nächsten systolischen Phase vom Integrierer 108 neue Werte geliefert werden, erfolgt ein neuer Vergleich mit dem Schwellwert 5 und gegebenenfalls Anzeige neuen Schlagvolumenmeßwertes SV.

Der Schwellwert 5 für das Integrationssignal kann beispielsweise manuell von der Bedienungsperson patientenindividuell eingestellt werden. Es ist aber auch möglich, die Schwellwertbestimmung automatisch durchzuführen. Zwti Möglichkeiten sind dafür in den F i g. 3a und 3b angegeben.

In der Fig.3a ist ein Spitzenwertdetektor aus einer Diode 130, einem Kondensator 131 und einem Potentiometer 132 gebildet. Die Diode 130 ist dabei an den Spitzenwertspeicher 109 (Punkt C) angeschaltet, erfaßt den jeweils gespeicherten Maximalwert und lädt den Kondensator 131 auf. Über den Widerstand 132 wird die Kondensatorspannung mit geeigneter Zeitkonstante entladen. Die Zeitkonstante der WC-Kombination 131, 132 liegt dabei vorzugsweise über der Herzperiode, so daß sich der Haltekondensator während einiger Herzperioden wieder vollständig entlädt, wenn kein neuer Schlagvolumenmeßwert SV ermittelt wird.

Der Widerstand 132 weist einen Potentiometerabgritl auf, an dem für die Schwellwertbestimmung ein bestimmter prozentualer Wert vom augenblicklichen Spitzenwert einstellbar ist. Wegen der Entladung des Haltekondensators 131 über den Widerstand 132 ergibt sich also ein mitlaufender Bezugswert für den Schwellwert S.

Analog dazu kann der Wert des Sample & Hold-Gliedes 110 in einen separaten Speicher 135 nach F i g. So eingegeben werden, von dem ebenfalls über ein Potentiometer 137 ein prozentualer Spannungswert als Schwellwert 5 abgegriffen wird. Der Speicher 135 wird dabei von von einem Zeitdiskriminator 136, der von den Normimpulsen des ersten Mono-Flops 115 gesteuert wird, jeweils dann zurückgesetzt, falls nach einem festgelegten Zeitintervall (beispielsweise zwei Herzperioden) kein neuer Impuls vom Mono-Flop 115 abgegeben wird.

Die automatische Schwellwerteinstellung ist insbesondere für solche Anwendungsfälle geeignet, bei denen sich das Schlagvolumen in größeren Meßbereichen verändert. Die Schwelle wird dabei jeweils an den aktuellen Meßwert angepaßt. Entladewiderstand 132 ^v,. Zdidiikrin^stcr 136 zer^zr. dar·.- dafür, daß der Schwellwert 5 nach kurzzeitig überhöhten Werten, die durch Artefakte auftreten können, wieder in den Normalbereich zurückgeholt wird.

Die so beschriebene Schaltung liefert im Normalfall Meßergebnisse von im wesentlichen gleicher Meßgenauigkeit wie bei Verwendung eines QRS-Detektors mit R-Zacken-Triggerung für die Rechenschaltung. Durch die Umschaltvorrichtung 121 können die Mono-Flops 115,116 auch mittels des QRS-Detektors 122 getriggert werden, wenn ein EKG-Signal vorliegt. In Sonderfällen, bei denen die Einstellung eines Schwellwertes schwierig ist, können damit bessere Ergebnisse erzielt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Medizinisches Gerät zur kontinuierlichen Bestimmung des Herzminutenvolumens und Schlagvolumens des menschlichen Herzens, mit einem Vierpol-Impedanz-Rheographen samt Körperelektroden zum Anlegen an den Thorax eines Patienten und einer zugehörigen Rechenschaltung zur Verrechnung des differenzierten Rheogramms mit Impedanzgrundwert, Elektrodenabstand und spezifischem Blutwiderstand, wobei in der Rechenschaltung die von den negativen Anteilen der differenzierten Impedanzkurve mit der Abszisse eingeschlossene Fläche kontinuierlich ausgewertet wird und zum Zwecke der »Beat-to-Beat«-Messung die Rechenschaltung einen Integrator zur Bestimmung des Integrals der Impedanzkurve mit nachgeschaltetem Sample & Hold-Glied zur Speicherung des Meßwertes sowie zugehörige Steuerglieder enthält, nach Hauptpatent 26 20 285. dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerglieder für Integrator (108) und Sample & Hold-Glied (110) vom Impedanzsignal selbst gesteuerte logische Verknüpfungsglieder (112, 113, 115, 116) sind, die durch Bewertung des Rheogramms einerseits Start- und Rücksetzimpulse für den Integrator (108) sowie andererseits die Sample-Impulse für das Sample & Hold-Glied (110) erzeugen, und daß zur Unterdrükkung von nicht zum Schlagvolumen (SV) beitragenden negativen Anteilen der differenzierten Impedanzkurve (Z) das Integrationssignal mit einem vorgebbaren Schwellten (S) .erglichen wird.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Integrierer jO8) und Sample & Hold-Glied (110) ein Spitzenwertspeicher (109) für das Integrationssignal geschaltet ist und daß durch Vergleich des im Spitzenwertspeicher (109) gespeicherten Maximums des Integrationssignals mit dem Schwellwert (S) die Artefaktunterdrückung erreicht ist.

3. Gerät nach Anspruch ! oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Polaritätserfasser (112) tür das differenzierte Impedanzsigna] (Z) und ein Meßwertvergleicher (113) für das Integrationssignal Schaltstufen (115,116) zur Erzeugung von Steuerimpulsen triggern.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Polaritätserfasser ein erster Komparator (112) zur Erfassung der negativen Anteile des Impedanzsignals und Ansteuerung des Integrators (108), als Meßwertvergleicher ein zweiter Komparator (113) zum Vergleich des gespeicherten Spitzenwertes des Integrationssignals mit dem einstellbaren Schwellwert (S) und Abgabe eines Signals dann, wenn der Schwellwert (S) vom Spitzenwert überschritten wird, dient und daß als Schaltstufen ein erstes Mono-Flop (115) zur Verknüpfung der beiden Komparatorsignale dann, wenn das erste Komparatorsignal eine fallende Flanke aufweist und am Ausgang des zweiten Komparators (113) positives Signal anliegt, zur Erzeugung eines Triggerimpulses für das Sample & Hold-Glied (110), und ein zweites Mono-Flop (116), das dem ersten Mono-Flop (115) nachgeschaltet ist und nach Triggerung des Sample & Hold-Gliedes (110) den Spitzenwertspeicher auf Nullwert zurücksetzt, vorhanden sind.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Komparator (113) bei positivem differenziertem Impedanzsignal den Integrator (108) zurücksetzt und auf Nullwert hält.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert (S) für das Integrationssignal an einem Stellglied (114) manuell einstellbar ist

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwell'vert (S) mittels einer dem Spitzenwertspeicher (109) nachgeschalteten Diode (130), die an einen Haltekondensator (131) und ein Potentiometer (132) angeschlossen ist, wobei das Potentiometer (132) zum Abgriff eines Teilwertes des Spitzenwertes einerseits und zur Entladung der Kondensatorspannung mit einer über Herzperiode liegenden Zeitkonstante andererseits dient, eingestellt wird.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert (S) mittels eines dem Sample & Hold-Glied (110) nachgeschalteten weiteren Speichers (135), der an ein Potentiometer (137) zum Abgriff eines Teilwertes angeschlossen ist und von einem Zeitdiskriminator (136), der an eines der Mono-Flops (115, 116) angeschlossen ist, zurücksetzbar ist, eingestellt wird.

9. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ersie Mono-Flop (115) einen Frequenzmesser (117) zur Messung und Anzeige der Pulsfrequenz triggert.

10. Gerät nach einem der vorhergehenden

in Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels Umschalter (121) wahlweise statt der beiden Komparatoren (112, 113) ein QRS-Detektor (122) eines EKG-Gerätes zur R-Zacken-Triggerung der Meßschaltung anschaltbar ist.