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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Unterdrückung netzfrequenter
Störungen bei der Aufnahme biologischer Signale, insbesondere von Herzsignalen,
wobei dem gestörten Signalgemisch ein aus diesem selbst gewonnenes Signal zugesetzt
wird.
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Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-OS 28 054 82 bekannt und
wird im Zusammenhang mit einem Detektor für QRS-Komplexe in einem Gerät zur Uberwachung
der Herztätigkeit verwendet, bei dem der Schwellenwert des Detektor-Einsatzpunkts
in Abhängigkeit vom Eingangssignal automatisch verschiebbar ist. Hierbei wird einem
Anteil des ursprünglichen Eingangssignal ein Mittelwert des selben Signals zur weiteren
Bearbeitung hinzugefügt, wobei die Mittelung durch ein eine Zeitkonstante enthaltendes
intearierendes Glied erfolgt.
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Damit ist der Nachteil verbundeh, daß - bedingt durch die Mittelung
- netzfrequente Störsignale nicht von Anfang an beseitigt werden sondern erst dann,
wenn sich auf das Erscheinen einer Anzahl von Halbwellen des Störsignals an dem
die Mittelung bewerkstelligenden integrierenden Glied eine entsprechende Spannung
aufgebaut hat. Dabei besteht die Gefahr, daß die infolge der tiberlagerung - bei
unvollständiger Störbefreiung - entstehenden Signale in nachfolgenden Auswertungsgeräten
als von Herzsignalen herrührende Impulse miß interpretiert werden.
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Weiterhin ist aus der EP 0 003 588 Al bekannt, Störbrumm in einem
Nutzsignal dadurch zu unterdrücken, daß die Störbrummkomponente dem Ursprungssignal
gegensinnig überlagert wird. Dabei besteht der Nachteil, daß infolge der bei einer
Filterung zwanysläufig auftretenden Einschwingvorgänge und Phasendrehungen eine
vollständige Beseitigung des Störsignals nicht erreicht werden kann.
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Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine Vorrichtung der vorgenannten Art anzugeben, die mit einfachen Mitteln realisierbar
ist und dabei die netzbedingten Störsignale möglichst weitgehend beseitigt.
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Besonders vorteilhaft ist dabei, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung
als kompakte Einheit ausgeführt sein kann, die sich als Zusatzgerät zusammen mit
einer großen Zahl von vorhandenen Geräten dadurch verwenden läßt, wobei sie in die
zu den Körperelektroden führenden Eingangsleitungen geschaltet wird. Damit lassen
sich auch ältere Geräte, deren Anwendbarkeit durch Netzstörungen beeinträchtigt
ist, mit besseren Ergebnissen verwenden, so daß die Neuanschaffung eines kompletten
Geräts erspart bleibt.
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Bei der als "NetzstörungZ bezeichneten Störung kann es sich um jedes
durch eine örtliche Einstrahlung erzeugte Signal handeln, das unabhängig von dem
biologischen Signalen erfaßbar ist.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die im vom Körper des
Patienten abgeleiteten EKG-Signalen auftretenden netzfrequenten Störungen mit der
die Störungen verur-
sachenden Netzfrequenz hinreichend übereinstimmen,
so daß sich durch Synchronisation der Störungsbeseitigung mit der Störungsquelle
eine Möglichkeit bietet, die Störsignale gezielt durch Subtraktion zu beseitigen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, die eine fast vollständige
Befreiung des Nutzsignals von Störsignalen ermöglicht, sind in den Unteransprüchen
angegeben und werden nachfolgend anhand des die Erfindung verdeutlichenden Ausführungsbeispiels
näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fign. 2 bis 6 Detailschaltungen einzelner für
die in Fig. 1 dargestellten Blöcke verwendbarer Schaltungen, wobei wiedergegeben
sind in Fig. 2 eine Schaltung zur Zeitverzögerung, Fig. 3 eine Synchronisationsschaltung,
Fig. 4 ein Addierverstärker, Fig. 5 eine Vollweg-Gleichrichter-Schaltung und Fig.
6 eine Kolnzidenzschaltung sowie Fign. 7a bis g Diagramme von in dem Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 1 vorkommenden Signalen.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung wird einem Vorverstärker 1 an Eingängen 2 und 3 das aufgenommene biologische
Signal, beispielsweise das von einem Patienten über Körperelektroden abgeleitete,
QRS-Komplexe enthaltene Herzsignal, welches mit kontinuierlichen oder kurzzeitigen
Netzspannungsstörungen überlagert ist, zugeführt. Bei dem Vorverstärker 1 handelt
es sich um einen üblichen Verstärker, wie er aus anderen Anwendungen im Zusammenhang
mit der Verarbeitung biologischer Signale bekannt ist, welcher die eingehenden Signale
in ihrem Pegel soweit heraufsetzt, daß sie in den nachfolgenden Schaltungen weiterverarbeitet
werden können.
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Die weiteren Schaltungen, welche die Gesamtschaltung entsprechend
dem Blockschaltbild gemäß Fig. 1 bilden, sind jeweils einzeln in den Figuren 2 bis
6 dargestellt. Bei der weiteren Beschreibung des Blockschaltbilds wird daher jeweils
auf diese Figuren Bezug genommen werden, sowie auf die Fign. 7a bis g, welche in
Diagrammen die bei der Verarbeitung in diesen Stufen auftretenden Signalverläufe
wiedergegeben. Das Ausgangssignal des Vorverstärkers 1 bei einem biologischen Eingangssignal,
das von einem netzfrequenten Störsignal überlagert ist (rechter Teil) sowie einer
reinen Netzstörung ohne Signal (linker Teil) sind als Beispiel in Fig. 7a dargestellt.
Dieses Ausgangssignal gelangt zu einer Zeitverzögerungsschaltung 4, durch die das
Signal um eine Zeitdauer verzögert wird, die der halben Periodendauer der Netzfrequenz
entspricht. Die Zeitverzögerungsschaltung 2 kann beispielsweise als analoges - oder
unter Einschaltung eines Analog-Digital-Wandlers - auch als digitales Schieberegister
realisiert werden.
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Die Verzögerungszeit beträgt bei einer Netzfrequenz von 50 Hz zehn
Millisekunden, wobei die Anzahl der Speicherplätze durch die geforderte Auf lösung
des Ausgangssignals bestimmt ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt
die Taktfrequenz 25,6 kHz mit einer Anzahl von 512 Speicherplätzen und damit einer
Auflösung von 25 600 Abtaststellen pro Sekunde für das Nutzsignal.
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Die Zeitverzögerungsschaltung 4 ist in Fig. 2 im Detail wiedergegeben,
wobei das Ausgangssignal des Vorverstärkers 1 an einen Eingang 5 gelangt und von
dort über einen Kondensator C 1 an den Eingang eines analogen Schieberegisters in
Form eines Eimerkettenspeichers 6 vom Typ TDA 1022 weitergeleitet wird. Das Gleichspannungspotential
ist durch Widerstände R 1 bis R 4 und den einstellbaren Widerstand R 2 veränderbar.
Ein weiterer Widerstand R 5 bildet einen Lastwiderstand. Zwei Eingänge 7 und 8 dienen
zum Zuführen des Taktsignals, das von einer Synchronisa-Xionsschaltung 9 (Fig. 1)
geliefert wird, welche im Folgenden näher dargestellt ist.
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Bei dem Eimerkettenspeicher 6 handelt es sich um ein dbliches Bauelement,
das beispielsweise als integrierte Schaltung erhältlich ist. Das Ausgangssignal
des Eimerkettenspeichers 6 gelangt über einen Kondensator C 2 und Widerstände R
6 und R 7, die zusammen mit einem weiteren Kondensator C 3 einen Tiefpaß bilden,
an den positiven Eingang eines als Impedanzwandlers geschalteten Operationsverstärkers
OP 1. Am Ausgang iO der Zeitverzögerungsschaltung 4 liegt das in Fig. 7b wiedergegebene
verzögerte Signal, das gegenüber dem in Fig. 7a dargestellten um zehn
Millisekunden
verspätet erscheint. Für die Funktion der Schaltung ist von Bedeutung, daß die Verzögerungsschaltung
stets auf die augenblickliche Netzfrequenz abgestimmt ist, damit die Auslöschung
der Netzstörungen gewährleistet ist.
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Die Synchronisationsschaltung 9 ist in Fig. 3 näher darqstellt, wobei
die einem Eingang 11 zugeführte Netzspannung über einen als Impulsformer dienenden
Inverter 12 an den Eingang einer PLL-Schaltung 13 gelangt, welche aus integrierten
Bausteinen 4060 und 4046 aufgebaut ist. Widerstände R 8 bis R 11 und Kondensatoren
C 4 und C 5 dienen zum Frequenzabgleich und zur Einstellung des Einschwingverhaltens.
Ihre Bemessung richtet sich nach der verwendeten integrierten Schaltung. Das Ausgangssignal
der PLL-Schaltung wird den Eingängen 7 und 8 des Eimerkettenspeichers 6 zugeführt,
wobei das am Ausgang 8 anliegende Signal gegenüber dem am Ausgang 7 vorhandenen
durch einen Inverter 14 in seiner Phasenlage um 180 gedreht ist.
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Die Verwendung des PLL-Systems ermöglicht die Benutzung der nach dem
erfindungsgemäßen verfahren arbeitenden Vorrichtung unabhängig von der vorhandenen
Netzfrequenz und auch bei Störungsquellen mit sehr starken Frequenzschwankungen.
Dadurch, daß die Schaltung zur Störbefreiung auf diese Weise von der Störungsquelle
synchronisiert wird, ist eine effektive Störbefreiung möglich. Die Synchronisationsschaltung
besteht dabei im wesentlichen aus einem phasensynchronen Frequenzvervielfacher,
wobei das PLL-System stets eine phasenstarre Synchronisierung gewährleistet.
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Das unverzögerte und das verzögerte Signal werden einem Addierverstärker
15 zugeführt, der im einzelnen in Fig. 4 wiedergegeben ist. Der Addierverstärker
beinhaltet einen Operationsverstärker OP 2, dessen invertierendem Eingang über Widerstände
R 12 bis R 14 die Spannungen von den Ausgängen 5 und 10 zugeführt werden. Der Widerstand
R 14 ist justierbar, wobei die Spannungsverhältnisse für die zu addierenden Signale
so eingestellt werden, daß die zu beseitigenden Störsignale am Ausgang mit gleichen
Amplituden erscheinen, wenn sie den Eingängen 5 und 10 separat zugeführt werden
- und sich damit auslöschen, wenn sie an die genannten Eingänge gleichzeitig und
in Gegenphase gelangen. Die Gesamtspannungsverstärkung wird durch einen Widerstand
R 15 bestimmt. Der für die Addierschaltung gewählte Operationsverstärker vom Typ
776 besitzt einen Eingang 16, über den sein Verstärkungsverhalten soweit verändert
werden kann, daß der Ausgang 17 mittels eines Widerstands R 26 auf das Potential
"0" gezogen wird, so daß sich die Wirkung einer Torschaltung ergibt.
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Das Ausgangssignal des Addierverstärkers 15, wie es am Ausgang 17
erscheint, wenn der Operationsverstärker OP 2 nicht zeitweise über den Eingang 16
gesperrt wird, ist in Fig. 7f als Signalsverlauf 17' wiedergegeben.
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In Fig. 7f ist im rechten Bereich das biologische Signal dargestellt,
welches von der netzfrequenten Störung befreit ist. Aus den Diagrammen (Fign. 7a
und b) ist direkt ersichtlich, wie durch additive Überlagerung des unverzögerten
und des verzögerten gestörten Signals das störbefreite in Fig. 7f erhalten wird,
wobei dieses bei rein
additiver tiberlagerung die doppelte Amplitude
aufweist. Da biologische Signale - und insbesondere Herzsignale - in Bezug auf die
Netz frequenz ausschließlich aus relativ niederfrequenten Anteilen bestehen, bedeutet
die Oberlagerung der beiden Signale - die zu einem Auslöschen von Signalanteilen
mit Netzfrequenz führt - keine wesentliche Verfälschung des Ausgangssignals.
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In dem Diagramm gemäß Fig. 7f sind weiterhin im linken Bereich Impulse
sichtbar, die dadurch entstehen, daß nach dem Auftreten einer Störung die Wirkung
der Eliminierung durch Subtraktion stets mit einer Verzögerung von 10 msec (bezogen
auf eine Netzfrequenz von 50 Hz) einsetzt. Hierdurch bleiben die ersten 10 msec
des unverzögerten und die letzten 10 msec des verzögerten Störungssignals unkompensiert.
Bei der gewählten Halbwellendarstellung der Störung handelt es sich jeweils um eine
Sinushalbwelle.
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Setzen die Störsignale nicht schlagartig ein - wie es bei Störungen,
die nicht in auf Schaltvorgänge zurückzuführen sind, der Fall sein kann - so wird
die Störung nicht vollständig eliminiert sondern es verbleiben die differentiellen
Anteile des Störsignals als Amplitudendifferenz aufeinanderfolgender Halbwellen.
Wie Versuche ergeben haben, sind Netzstörungen, die mit einer Frequenz im Bereich
derjeniger biologischer Signale an- oder abklingen, sehr selten.
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Um die in dem Diagramm gemäß Fig. 7f auftauchenden einzelnen Impulse
des Störsignals, die nicht eliminiert werden, noch zu beseitigen, ist eine Anordnung
vorgesehen, welche
aus zwei Vollweggleichrichtern 18 und 19 und
einer Koinzidenzschaltung 20 (Fig. 1) besteht. Den beiden Vollweggleichrichtern,
welche identisch geschaltet und im Detail in Fig. 5 wiedergegeben sind, werden das
verzögerte und das unverzögerte Signal von dem Ausgang 5 des Vorverstärers 1 bzw.
dem Ausgang 10 der Zeitverzögerungsschaltung 4 zugeführt. Sie enthalten je Operationsverstärker
OP 3 und OP 4. Zu dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärker OP
4, der einen Schmitt-Trigger bildet, dessen Eigenschaften durch die Widerstände
R 16, R 17 und R 18 bestimmt werden, gelangen die Signale der Ausgänge 5 bzw. 10
entweder direkt über eine Diode D 1, wenn sie positive Polarität haben bzw. invertiert
über den Operationsverstärker OP 3 und eine Diode D 2, wenn sie negativ sind. Die
Widerstände R 19 und R 20, mit denen der invertierende Eingang des Operationsverstärkers
OP 3 beschaltet ist, weisen dabei gleiche Werte auf, während ein Widerstand R 21
eine Last für die Dioden D 1 und D 2 bildet.
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Anstelle der durch die Beschaltung des Operationsverstärcers OP 3
gebildeten einfachen Gleichrichterschaltungen kann - in Abhängigkeit von den. an
die Störbefreiung gestellten Anforderungen - auch eine zweistufige Schaltung verwendet
werden, wie sie beispielsweise in Tietze/Schenk, zHalbleiterschaltungstechnik",
1. Aufl., S. 248 beschrieben ist.
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Die Ausgänge der Vollweggleichrichterschaltungen 21 bzw.
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22 sind mit Eingängen der im einzelnen in Fig. 6 wiedergegebenen Koinzidenzschaltung
20 verbunden. Diese Koinzidenzschaltung besteht aus zwei Invertern 23 und 24 in
den Eingangsleitungen eines EXKLUSIV-ODER-Gatters 25, einem
nachgeschalteten
Inverter 26 sowie einer Transistorverstärkerstufe mit einem Einqangsspannungsteiler,
bestehend aus Widerständen R 22 und R 23, einem Transistor T, der über Arbeitswiderstände
R 24 und R 25 ein Signal an den Ausgang 16 abgibt, welches den Addierverstärker
15 (Fig.
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1) sperrt, wenn nur von einem der Vollweggleichrichter 18 bzw. 19
ein Signal geliefert wird, das einen vorgegebenen Pegel überschreitet. Der vorgegebene
Pegel wird in Abhängigkeit der Erfordernisse des Einzelfalls eingestellt.
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Treten nur Störsignale auf, die periodisch sind und in ihren Scheitelwerten
im wesentlichen konstant sind, so kann diese Schwelle nahe bei null gewählt werden.
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Die Funktion der Koinzidenzschaltung 20 ist aus den Diagrammen entsprechend
den Fign. 7c bis 7e ersichtlich, wobei Fig. 7c das am Ausgang 22 des Vollweggleichrichters
19 und Fig. 7d das am Ausgang 21 des Vollweggleichrichters 18 erscheinende Signal
wiedergibt. Für denjenigen Zeiten, in denen nur entweder am Ausgang 21 des Vollwellengleichrichters
18 oder dem Ausgang 22 des Vollweggleichrichters 19 ein Signal ansteht, entsteht
ein Impuls am Ausgang 16 der Koinzidenzschaltung, wie es für die angenommenen Signalverläufe
in Fig. 7e dargestellt ist.
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Die zu Beginn und Ende von Störungswellenzügen ausgegebenen Signale
der Koinzidenzschaltung decken sich mit den nicht durch Addition eliminierten Halbwellen
in Fig. 7f.
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Wenn also zu diesen Zeiten durch das Ausgangssignal der Koinzidenzschaltung
der Addierverstärker 15 gesperrt wird, erscheint anstelle des in Fig. 7f wiedergegebenen
Signals das in Fig. 7g dargestellte. Hier sind die störenden
Rest
impulse beseitigt und das ausgegebene biologische Signal entspricht in seinem Wellenverlauf
im wesentlichen dem Signal, das ursprünglich von einer Störung überlagert wurde.
Wie aus Fig. 7g ersichtlich ist, wird durch die Impulse der Koinzidenzschaltung
auch der Beginn bzw. das Ende von biologischen Signalen für 10 msec ausgetastet,
wenn dieses in dem entsprechenden Bereich nicht von Störsignalen überlagert ist.
Der dadurch hervorgerufene Signalausfall ist aber in den meisten Fällen vernachlässigbar
und stellt keine Beeinträchtigung für die Signalauswertung dar.