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Impulsverstärker mit veränderbarer Verstärkung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Impulsverstärker mit veränderbarer
Verstärkung, insbesondere für die Phonokardiographie. Bei der Phonokardiographie
erfolgt die Registrierung von Impulskurven, z. B. Apex-, Karotis-, Jugularis-Kurven,
häufig, während ein Patient den Atem anhält. Die Registrierung soll deshalb rasch
erfolgen, um auch insbesondere kranke Patienten ohne Schwierigkeiten untersuchen
zu können. Die Amplitude der Impulskurven ist dabei ausser von dem untersuchten
Individuum stark von der Anbringung einer Signalerfassungseinrichtung, beispielsweise
eines Impulsmikrofons, abhängig.
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Auch hat z. B. ein Jugularis-Impuls häufig eine wesentlich geringere
Amplitude als ein Apex-Impuls.
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Die Signalerfassungseinrichtung ist üblicherweise mit einem Impulsverstärker
gekoppelt, dessen Verstärkung innerhalb weiter Grenzen einstellbar sein muss, um
die größeren Amplitudenvariationen abzudecken. Bisher erfolgte die Anderung der
Verstärkung mittels manuell betätigter Umschalter. Bei der Registrierung der Impulskurven
ist es üblich, dass ein Operateur beispielsweise ein Impulsmikrofon als Signalerfassungseinrichtung
in der Hand hält, um die günstigste Aufnahmestelle zu finden. Sollen nun zwei Impulskurven
gleichzeitig registriert werden, so sind dessen beide Hände besetzt. Zur Einstellung
der richtigen Verstärkung ist daher weiteres Bedienungspersonal notwendig. Ausserdem
ist die Einstellung von Hand zeitraubend und, wie bereits ausgeführt, besonders
für kranke Patienten mit Schwierigkeiten verbunden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem
Impulsverstärker die Verstärkung schnell und automatisch den zu messenden Impulskurven
anpassen zu können. Eine weitere Aufgabe besteht darin, die gemessenen Impulskurven
direkt kalibrieren zu können.
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Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass als Verstärker
ein Dividierer vorgesehen ist, dem eingangsseitig das zu verstärkende Signal als
Zähler und ein dem in einer bestimmten Zeit überstrichenen Amplitudenbereich entsprechendes
Signal als Nenner zugeführt sind. Dadurch, dass das Impulssignal auf diese Weise
praktisch mit seiner eigenen Amplitude dividiert wird, ergibt sich am Ausgang des
Dividierers eine Impulskurve mit einem annähernd konstanten Amplitudenbereich.
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Zur Bestimmung des Divisors ist in Weiterbildung der Erfindung ein
an sich bekannter Amplitudenabtaster vorgesehen, der die Spitzen der Signalamplitude
über eine vorbestimmte Zeitspanne abtastet. Je nach Wahl der festgesetzten Abtastzeit
ergibt sich eine unterschiedliche untere Grenzfrequenz für die zu messenden Impulskurven.
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Ist beispielsweise für die Phonokardiographie die Abtastzeit auf 1,6
Sekunden festgesetzt, so bedeutet das eine niedrigste Impulsfrequenz von ungefähr
38 Impulsen pro Minute. Nach Beendigung der Abtastzeit stellt das Ausgangssignal
des Amplitudenabtasters gewissermassen den Divisor dar. Dieser kann beispielsweise
über ein Sample-and-Hold-Glied dem Nennereingang des Dividierers zugeführt werden.
Bis zur Beendigung eines erneuten Abtastvorganges dient dieser Sample-and-Hold-Wert
als Nenner für den Dividierer und legt damit die Verstärkung fest. Kommt es bei
der Registrierung der Pulskurven beispielsweise einem untersuchenden Arzt nur auf
die Pulsform an, so reicht diese Verstärkungsautomatik be-
reits
aus, um auch grosse Unterschiede in den Impulsamplituden jeweils in einem für die
Auswertung günstigen Massstab darstellen zu können.
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Eine weitere Verbesserung der Kurvendarstellung ergibt sich in Weiterbildung
der Erfindung dadurch, dass ein Komperator vorgesehen ist, der das Ausgangssignal
des Amplitudenabtasters regelmässig mit eineirSpeicherwert vergleicht und beim Überschreiten
einer bestimmten Abweichung den Speicherwert gegen das Ausgangssignal des Amplitudenabtasters
austauscht. Das Ausgangssignal des Amplitudenabtasters kann daher in gewissen Grenzen
schwanken, ohne dass es zu einer Veränderung der Verstärkung kommt. Über längere
Strecken kann dadurch die Darstellung der Impulskurve auch mit gewissen Unterschieden
in der Amplitude mit einheitlicher Verstärkung dargestellt werden.
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Um gleichzeitig Aussagen über die Grösse der Impulskurven machen zu
können, ist in einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen,
dass ein Kalibrierungssignalgenerator vorgesehen ist, der kurzzeitig beim Austausch
des Speicherwertes eingeschaltet wird und dessen Signalgrösse durch den Speicherwert
bestimmt ist.
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Mit einer standardisierten Empfindlichkeit der Signalerfassungseinrichtung
kann dadurch eine Eichung erfolgen, indem am Eingang des Impulsverstärkers eine
definierte Spannung entsprechend einem bestimmten Messignal angelegt wird. Die Amplitude
der erhaltenen Impulskurve und das Kalibrierungssignal können dann verglichen und
die Amplitude der Impulskurve daraus berechnet werden. Eine besonders einfache Auswertung
der erhaltenen Messkurven erhält man, wenn der Kalibrierungssignalgenerator einmal
vor und einmal nach dem Austausch eingeschaltet wird.
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Der Impulsverstärker gemäss der Erfindung stellt automatisch die Verstärkung
ein, so dass die registrierten Impulskurven eine im voraus gewählte Amplitude erhalten.
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Die Einstellzeit ist dabei von der gewählten Zeitspanne für den Amplitudenabtaster
abhängig. Jeder Registrierungsabschnitt mit einer bestimmten Amplitude wird dabei
von zwei Kalibrierimpulsen eingerahmt. Die Kalibrierungsimpulse können dabei vorteilhaft
die Form eines abgeschnittenen Triangels besitzen, deren Flanken eine der Verstärkung
entsprechende Steigung aufweisen. Dadurch sind sogar die Ableitungen der gemessenen
Impulskurven kalibriert. Der ursprüngliche Kalibrierungsimpuls wird zu einem Rechteckimpuls
mit durch. die Steigung bestimmter Amplitude.
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Um den möglichen Messbereich noch zu erweitern, kann erfindungsgemäss
jedem Kalibrierungsimpuls noch ein spezieller Code zugeordnet sein, der die zu verarbeitende
Signalamplitude in weiten Bereichen festlegt.
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Um in einfacher und sicherer Weise das wiederholte Abtasten, Vergleichen
und evtl.Austauschen zeitlich aufeinander abgestimmt durchzuführen, ist ein Taktgeber
vorgesehen, der die entsprechenden Verstärkerelemente ansteuert.
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Anhandzweie#iguren wird im folgenden ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher beschrieben und erläutert.
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Fig. 1 zeigt dabei ein vereinfachtes Blockschaltbild des erfindungsgemässen
Impulsverstärkers, Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt einer mit diesem Impulsverstärker
aufgenommenen Impulskurve.
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Der Kern des erfindungsgemässen Impulsverstärkers ist
ein
Dividierer 1. Das zu messende Impulssignal kommt über eine Leitung 2 von einer hier
nicht dargestellten Impulserfassungseinrichtung. Die Grösse der Impulskurven kann
auf unterschiedliche Art und Weise gemessen werden. Eine Art besteht darin, die
Volumenänderung, die in einem über der Impulsstelle angeordneten, dicht abschliessenden
Impulsmikrofon erhalten wird, zu messen. Eine andere Messmethode verwendet einen
Kraftmesser, der die durch den zu messenden Pulsschlag~verursachte Kraft misst,
wenn dafür gesorgt wird, dass die Bewegung der Hauptoberfläche dabei verhindert
wird. Wird beispielsweise ein Impulsmikrofon verwendet, so kann dessen Empfindlichkeit
durch einen Druckgeber derart geeicht werden, dass eine bestimmte Volumenänderung
ein definiertes Ausgangssignal erzeugt.
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Das vom Pulsmikrofon kommende Signal wird über einen Schalter 3 dem
Zählereingang 11 des Dividierers 1 zugeführt. Gleichzeitig wird dieses Signal über
eine Leitung 41 einem Amplitudenabtaster 4 zugeführt. Das Ausgangssignal dieses
Amplitudenabtasters 4 gelangt über eine erste Leitung 42 sowie einen Schalter 5
auf einen Speicher 6. Über eine weitere Leitung 43 gelangt das Ausgangssignal auf
einen Komperator 7. Der jeweilige Speicherwert gelangt über eine Leitung 61 auf
den Nennereingang 12 des Dividierers 1, über eine Leitung 62 auf einen weiteren
Eingang des Komperators 7 und über eine Leitung 63 auf einen Eingang eines Kalibrierungssignalgenerators
8. Uber Leitungen 71, 72 bzw. 73 steuert der Komperator die Schalter 3, 5 und den
Kalibrierungssignalgenerator 8. Die Grösse des Kalibrierungssignals ist durch den
Speicherwert festgelegt. Der Ausgang des Kalibrierungssignalgenerators 8 führt.
über eine Leitung 81 auf einen weiteren Anschluss des Schalters 3 und kann an Stelle
des vom Pulsmikrofon über die Leitung 2 kommenden Signals auf den Zählereingang
11 des Dividie-
rers 1 geschaltet werden. Über Leitungen 94, 97
bzw. 98 werden die zeitlichen Abläufe des Abtastens, Vergleichens und des eventuell
Austauschens sowie des Kalibrierens von einem Taktgeber 9 gesteuert.
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Die Funktion dieses Impulsverstärkers ist folgende: Ein Impulssignal
wird dem Zähler des Dividierers 1 zugeführt. Gleichzeitig wird das Signal dem Amplitudenabtaster
4 zugeführt. Dieser tastet die Amplitude des Signals beispielsweise während 1,6
Sek. ab. Diese Zeitspanne von 1,6 Sek. bedeutet, dass die niedrigste Impulsfrequenz
ungefähr 38 Schläge pro Minute beträgt.
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Am Ende dieser Zeitspanne (Suchzeit) wird die abgetastete Amplitude
mit der Spannung des Speichers 6 im Komperator 7 verglichen. Ist die Abweichung
klein, d.h. liegt sie unterhalb einer vorbestimmten Grenze, so bleibt die Spannung
im Speicher 6 unverändert liegen. Ist die Abweichung grösser als diese festgelegte
Grenze, wird die Spannung im Speicher gegen die abgetastete Amplitude ausgetauscht.
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Dieser Verlauf wird, gesteuert durch den Taktgeber 9, ständig wiederholt.
Die Spannung des Speichers 6 wird dem Nennereingang 12 des Dividierers 1 zugeführt.
Der Kalibrierungssignalgenerator 8 wird ebenfalls über den Komperator 7 gesteuert.
Wenn der Spannungsvergleich einen Austausch der Spannung im Speicher anzeigt, wird
zunächst der Kalibrierungssignalgenerator 8 eingeschaltet und gleichzeitig der Schalter
3 betätigt, so dass ein durch den alten Speicherwert in seiner Grösse festgelegter
Kalibrierungsimpuls auf den Zähler des Dividierers 1 gelangt. Unmittelbar anschliessend
wird der Schalter 5 betätigt und ein Austausch des Inhalts des Speichers 6 vorgenommen.
Danach wird der Kalibrierungssignalgenerator 8 noch einmal angesteuert, wodurch
ein weiterer Impuls
mit einer dem neuen Speicherwert entsprechenden
Grösse auf den Zählereingang 11 des Dividierers gelangt. Eine Anderung der Verstärkung
innerhalb der registrierten Impulskurven ist also jeweils durch einen Kalibrierungsimpulskomplex
angezeigt, der zumindest aus zwei Kalibrierungsimpulsen besteht, von denen der eine
die bisherige und der andere die neue Verstärkung angibt und darüber hinaus vorteilhaft
noch aus jeweils einem Code, der den gewählten Verstärkungsbereich angibt.
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Der Ausgang des Dividierers 1 ist über eine Leitung 13 beispielsweise
mit einem Schreiber zur Registrierung der zu messenden Impulskurven verbunden. Der
Schreiber ist in dem Blockschaltbild der Fig. 1 nicht dargestellt.
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In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf einer Karotis-Pulskurve aufgetragen.
Dabei ist im oberen Teil der Figur der Impulsverlauf und im unteren Teil die erste
Ableitung dieser Pulskurve dargestellt. Etwa in der Mitte der Zeitachse erfolgt
eine Verstärkungsänderung durch den Austausch des Speichers und damit Änderung des
Nenners des Dividierers 1. Dargestellt ist in einem Rechteck der zu dem Austausch
gehörende Kalibrierungskomplex, der aus einem ersten Code, bestehend aus zwei unterschiedlich
hohen, schmalen Rechteckimpulsen und dem eigentlichen Kalibrierungsimpuls besteht.
Code und Impuls zusammen geben den Verstärkungsbereich und die durch den Speicher
festgelegte Verstärkung an. Im rechten Teil des Rechteckes ist wiederum der Code,
in diesem Fall der gleiche, und erneut ein Kalibrierungsimpuls mit nunmehr anderer
Grösse angegeben. Die Änderung der Verstärkung ist notwendig geworden, da bei der
vor dem Wechsel liegenden Abtastung der Amplitude der anschliessende Vergleich gezeigt
hat, dass diese unter eine vorbestimmte Grenze abgesunken ist. Im rechten Teil der
Impulskurve ist daher eine grössere Verstärkung eingestellt. Wie man den Kali-
brierungsimpulsen
weiter ansehen kann, ist die Anstiegszeit des Impulses bis zum Erreichen des Plateaus
stets die gleiche, so dass die Steigung ein direktes Mass für die Höhe, d.h. die
Grösse der Verstärkung ist. Bildet man, wie im unteren Teil der Fig. 2 dargestellt,
die erste Ableitung der Impulskurve, so ergeben sich abgeleitete Kalibrierungsimpulse,
die wiederum gleich zur Kalibrierung der abgeleiteten Impulskurve dienen. Durch
die Wahl des Codes hat man die Möglichkeit,zwischen unterschiedlichen Verstärkungsbereichen
zu wählen, um die grossen Amplitudenvariationen, die bei der Aufnahme unterschiedlicher
Messkurven vorkommen können, optimal an den Verstärker anzupassen und damit mit
möglichst guter Auflösung zu registrieren.
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Mit Hilfe der automatischen Verstärkungseinstellung ist es also möglich,
schnell und sicher die Verstärkung den Messbedingungen anzupassen, so dass insbesondere
bei Phonokardiographischen Untersuchungen die Belastung des zu untersuchenden Patienten
auf ein Minimum herabgesetzt wird Gleichzeitig werden Fehler durch den ansonsten
notwendigen Einsatz mehrerer Bedienungspersonen verhindert. Der erfindungsgemässe
Impulsverstärker ist jedoch nicht auf die Messung phonokardiographischer Impulskurven
beschränkt, sondern kann in weiten Bereichen der Messtechnik, bei denen es auf die
Erfassung unterschiedlichster Impulskurven mit stark abweichender Amplitude ankommt,
eingesetzt werden 2 Figuren 11 Ansprüche