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Periodendauermeßvorrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Periodendauermeßvorrichtung, insbesondere
zur Messung der Periode(ndauer) eines fötalen Herzschlagsignals mittels eines Autokorrelationsverfahrens.
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Es ist üblich, die Periode(ndauer) eines Biosignals, insbesondere
eines Herzschlagsignals, durch Bestimmung des Spitze-Spitzeabstands mittels eines
Spitzentriggersystems zu messen.
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Ein solches System bestimmt die Periode eines Herzschlagsignals durch
Erfassung der Signalspitzen P1, P2, P3 ... und anschließende Messung der Zeit(spanne)
zwischen zwei benachbarten Spitzen, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Bei dem
Spitzentrigger-Meßsystem besteht jedoch eine Möglichkeit für Meßfehler, wenn das
Signal ein fötales Dopplersignal mit mehreren Spitzen innerhalb einer Periode ist
oder wenn das fötale System eine große Rausch- bzw. Störkomponente besitzt, die
zum Auftreten mehrerer Spitzen in einer Periode führt.
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Wenn beispielsweise das Spitzentriggersystem zur Messung der Periode
eines Biosignals aus zwei verschiedenen Signalen S1, die dieeinander abwechselnd
erzeugt werden (vgl. Fig. 2), herangezogen wird, besteht die Möglichkeit, daß die
Periode zwischen den voneinander verschiedenen Signalen als die Perioden T1, T2
des Biosignals erfaßt wird. In diesem Fall kann das Triggersystem die Periode nicht
genau messen. Wie
in Fig. 3 dargestellt, können andererseits auch
Periodenmeßfehler durch Fehltriggerung aufgrund großer Rausch- oder Störkomponenten
auftreten.
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Als Ersatz für das Spitzentriggersystem mit den geschilderten Mängeln
wurde bereits eine auf einem Biosignal-Autokorrelationsverfahren beruhende Periodendauermeßvorrichtung
entwickelt Das Autokorrelationssystem arbeitet auf der Grundlage einer Abtastung
eines Herzschlagsignals während einer geeigneten Abgreif- oder Abtastperiode, einer
Berechnung der Autokorrelationsfunktion des Herzschlagsignals auf der Basis der
abgegriffenen Daten sowie einer Messung der Periode(ndauer) des Herzschlagsignals
anhand der berechneten Autokorrelationsfunktion, welche die Ähnlichkeit zwischen
zwei Abschnitten der Herzschlagsignal-Wellenform zu zwei verschiedenen, durch eine
bestimmte Zeitspanne voneinander getrennten Zeitpunkten anzeigt. Mit anderen Worten:
sie stellt den Grad der Ähnlichkeit oder Entsprechung der sich wiederholenden Herzschlagsignal-Wellenform
dar. Diese Gegebenheiten lassen sich anhand von Fig. 4 besser erläutern, aus welcher
hervorgeht, daß dann, wenn ein sich mit einer bestimmten Periode T wiederholender
(Signal-)Abschnitt M1 längs der Zeitachse um eine der Periode T gleiche Zeitspanne
verschoben ist bzw. wird, der Abschnitt M1 dem unmittelbar darauffolgenden Abschnitt
M2 mit größter Genauigkeit überlagert wird.
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Zur Erzielung oder Ableitung der Autokorrelationsfunktion aus dem
Biosignal läßt sich die Autokorrelationsfunktion 0(t) anhand des Biosignals f(t)
, das eine Funktion der Zeit t ist, wie folgt ausdrücken:
Wenn mit f(k) (mit k = 1, 2, ..., n) die durch Abgreifen des zu
messenden Signals erhaltenen Daten bezeichnet werden, läßt sich obige Gleichung
(1) ausdrücken als:
Bei Erweiterung (expanding) von Gleichung (2) erhält man: ~(T) = 1 [f(1)f(1+#) +
f(2)f(2+#) + ... + f(n)f(n+#)]...3.
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n Diese Gleichung zeigt insbesondere, daß #(#) auch durch Summieren
der Produkte zweier Dateneinheiten erhalten wird, die zu zwei verschiedenen, durch
die Phasendifferenz-Veränderliche # voneinander getrennten Zeitpunkten vorliegen.
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In den Gleichungen (1) bis (3) bedeutet die Größe # ein Intervall
von einem bestimmten oder vorgegebenen Zeitpunkt auf dem Herzschlagsignal zu einem
vom ersten (Zeit-)Punkt über eine bestimmte Zeit verschobenen Punkt. Mit anderen
Worten: die Größe t ist eine Veränderliche, die dem Biosignal f(t) eine Phasendifferenz
aufprägt und die sich über einen Bereich ändert, der als eine Periode des Signals
angesehen werden kann.
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Es sei ein üblicher Fall betrachtet, in welchem das Herzschlagsignal
eines Fötus zur Bestimmung seiner Periode nach dem Korrelationsverfahren gemessen
wird. Die Messung beginnt mit einem Abgreifen des Herzschlagsignals mit einer vorbestimmten
Abgreif- oder Abtastperiode. Aufgrund klinischer Versuche ist bekannt, daß die Periode
eines fötalen Herzschlagsignals einen sehr weiten Bereich von im wesentlichen 300
- 1500 ms überspannen kann. Nach üblicher Praxis wird daher die GröBe t bei der
Durchführung der Messungen in einem Bereich von 300 - 1500 ms
variiert.
Da beim tatsächlichen Signal-Abgriff die Größe T'/T5 anstelle von t benutzt wird,
wird die Größe t in einem Bereich von 300/Ts bis 1500/es variiert, wobei T5 für
die Abtast- bzw.
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Abgreifperiode steht. Da die innerhalb dieses Größenbereichs ermittelte
Autokorrelationsfunktion einen Spitzenwert (peak) besitzt, wenn t der Periode T
des Herzschlagsignals und einem ganzzahligen Vielfachen der Periode T entspricht,
d.h.
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2T, 3T ..., kann die Periode des Herzschlagsignals durch Erfassung
des Spitzenwerts entsprechend der Periode T ermittelt werden. Bei einem Fötus liegt
jedoch die maximale Änderung der Herzfrequenz im Bereich von +15 Schläge/min. Die
Berechnung der Autokorrelationsfunktion über einen weiten Bereich hinweg, wie beim
bisherigen Verfahren, ist daher ein im wesentlichen bedeutungsloser Vorgang, der
lediglich unnötig die für die Signalverarbeitung erforderliche Zeit verlängert.
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Dieser letztere Umstand ist insbesondere bei einer Periodendauermeßvorrichtung
unerwünscht, bei welcher unbedingt eine sog. Echtzeit-Verarbeitung angestrebt wird.
Außerdem vergrößert sich bei der Durchführung von Messungen über einen unnötig weiten
Bereich hinweg die Möglichkeit dafür, daß Störsignale (noise) die Messungen beeinflussen.
t)a weiterhin die Periode des fötalen Herzschlagsignals im Bereich von 300 -1500
ms liegt, muß die Abgreifperiode auf eine Größe eingestellt werden, bei welcher
die Meßgenauigkeit nicht beeinträchtigt wird, um dadurch die Kosten für die Meßvorrichtung
zu senken und die Verarbeitung der Periodenmessung auf Echtzeitbasis zu erlauben.
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Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Ausschaltung der
Mängel des Stands der Technik durch Schaffung einer Periodendauermeßvorrichtung,
bei welcher der Bereich, in welchem die Autokorrelationsfunktion eines fötalen Herzschlagsignals
berechnet wird, auf einen Bereich begrenzt ist, der einen wewesentlichen Einfluß
auf die Periodendauermessung hat, um dadurch
die Gefahr für eine
ungünstige Beeinflussung der Messung durch Störsignale auszuschalten, wobei Berechnungen
bezüglich praktisch bedeutungsloser Daten vermieden werden, so daß die Verarbeitung
auf Echtzeitbasis erfolgen kann.
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Diese Meßvorrichtung soll dabei im Hinblick darauf, daß die Periode(ndauer)
eines fötalen Herzschlagsignals im Bereich von 300 - 500 ms liegt, eine Abtastung
bzw. einen Signalabgriff mit Perioden entsprechend der Größe der Änderung des Herzschlagsignals
und über einen Bereich durchführen, der für die reriodendauermessung nötig ist,
ohne eine wesentliche Minderung der Genauigkeit der Herzfrequenz-Meßdaten zu bewirken.
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Zudem soll diese Meßvorrichtung die Periodendauermessung mit kleinerer
Speicherkapazität und auf Echtzeitbasis durchführen können.
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Erfindungsgemäß soll weiterhin die Zahl der Autokorrelationsfunktions-Berechnungen,
die für die Prüfung oder Bestimmung der Periode des fötalen Herzschlagsignals nötig
sind, herabgesetzt werden.
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Diese Aufgabe wird bei einer Periodendauermeßvorrichtung der angegebenen
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sie eine Abtasteinrichtung zum Abtasten
bzw. Abgreifen eines Herzschlagsignals mit einer vorbestimmten Abtastperiode, eine
Autokorrelationsfunktions-Recheneinrichtung zur Berechnung einer Autokorrelationsfunktion
über einen bzw. in einem vorbestimmten Bereich eines Herzschlagsignals unter Heranziehung
des von der Abtasteinrichtung gelieferten Abtast-Herzschlagsignals und eine Perioden-Recheneinrichtung
zur Berechnung der Periode des Herzschlagsignals anhand der berechneten Autokorrelationsfunktion
aufweist, und daß die Steuerung in der
Weise erfolgt, daß eine
Autokorrelationsfunktion für die Größen oder Werte einer Phasendifferenz-Veränderlichen
über einen durch die Mindest- und die Höchstperiode eines Herzschlags vorgegebenen
Bereich entsprechend der größten bzw.
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der kleinsten Herzfrequenz, bezogen auf die bei einer vorhergehenden
Messung zuletzt gemessene Herzfrequenz, berechnet wird. Gemäß einem anderen Merkmal
kennzeichnet sich die Erfindung dadurch, daß die Änderungsgröße oder -frequenz (rate
of change) der Abtastperiode der Abtasteinrichtung an den durch die Rechnereinheit
berechneten Bereich der Periode eines Biosignals angepaßt ist.
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Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im
Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 ein Wellenformdiagramm eines Biosignals zur Erläuterung der Periodendauermessung
mittels des Spitzentriggersystems, Fig. 2 und 3 der Fig. 1 ähnelnde Wellenformdiagramme
eines Biosignals zur Erläuterung der Periodendauermessung mittels des Spitzentriggersystems,
Fig. 4 ein Wellenformdiagramm eines Biosignals zur Erläuterung der Periodendauermessung
mittels des Autokorrelationssystems, Fig. 5 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung
der Realisierung einer Verkürzung des Berechnungsbereichs gemäß der Erfindung, Fig.
6 ein Blockschaltbild einer Periodendauermeßanlage mit einer Periodendauermeßvorrichtung
mit Merkmalen nach der Erfindung,
Fig. 7 ein Blockschaltbild zur
Erläuterung des Auslesens von Abtast- oder Abgreifdaten auf der Grundlage einer
durch eine Rechenbereich-Einstellschaltung gelieferten Phasendifferenz-Veränderlichen
t sowie der Speicherung der Rechenergebnisse und der Berechnung einer Periode und
Fig. 8 eine graphische Darstellung der schrittweisen Änderung der Abgreifperiode
in Übereinstimmung mit einer Änderung der Periode(ndauer) des Herzschlagsignals.
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Die Fig. 1 bis 4 sind eingangs bereits erläutert worden. Im folgenden
ist anhand der Fig. 5 bis 8 eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
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Fig. 5 veranschaulicht die Realisierung einer Verkürzung des Berechnungsbereichs,
wobei die Periode(ndauer) des Herzschlagsignals auf der waagerechten Achse aufgetragen
ist. Der durch die Pfeile bezeichnete Bereich stellt einen innerhalb der Grenzen
der Herzschlagperiode liegenden Bereich dar, für den eine Autokorrelationsfunktion
berechnet wird, d.h. einen Bereich, in welchem die Phasendifferenz-Veränderliche
t variiert wird.
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Biosignale sind nicht ausschließlich auf fötale Herzschlagsignale
beschränkt. Im allgemeinen wird der Bereich, in welchem bzw. für welchen die Autokorrelationsfunktion
eines Biosignals berechnet wird, möglichst schmal gewählt, jedoch mit einer solcben
Breite, daß keine wesentliche Beeinträchtigung der Genauigkeit der Meßdaten hervorgerufen
wird. Eine derartige enge Bereichseinstellung ist vom Standpunkt der Echtzeit-Verarbeitung
vorteilhaft. Insbesondere wird bevorzugt nur ein einen wesentlichen Einfluß auf
die Meßergebnisse besitzender Signalbereich als Bereich für die Berechnung benutzt,
und die
Berechnungen werden ausschließlich innerhalb dieses Bereichs
vorgenommen, um die angestrebte Echtzeit-Datenverarbeitung ohne wesentliche Minderung
der Genauigkeit der Meßdaten zu erlauben. Wenn der Rechenbereich außerdem unnötig
breit ist, besteht zudem die Möglichkeit dafür, daß die Messungen durch Störsignale
beeinträchtigt werden. Aus diesem Grund sollte der Bereich für die Berechnung der
Autokorrelationsfunktion ebenfalls so gewählt sein, daß die Berechnung in einem
Bereich erfolgt, der einen wesentlichen Einfluß auf die Meßergebnisse hat.
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Wenn es sich bei dem Biosignal um ein fötales Herzschlagsignal handelt,
liegt dessen Periode im Bereich von-300 bis 1500 ms. Anhand von durch klinische
Versuche gewonnenen Daten hat es sich herausgestellt, daß die größtmögliche Änderung
der fötalen Herzfrequenz etwa f15 Schläge/min oder weniger beträgt.
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Wie erwähnt, wird der Bereich für die Berechnung möglichst weitgehend
auf einen solchen Bereich eingeschränkt und verengt, der die Meßergebnisse beeinflußt.
Im Hinblick hierauf wurde erfindungsgemäß angestrebt, diesen Grundgedanken auf die
Messung eines fötalen Herzschlagsignal-s zu übertragen.
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Da die maximale Änderung der fötalen Herzfrequenz etwa -15 Schläge/min
beträgt, hat es sich erfindungsgemäß insbesondere herausgestellt, daß die Steuerung
oder Regelung in der Weise durchgeführt werden sollte, daß die Autokorrelationsfunktion
über einen Bereich berechnet wird, der durch die kleinsten und größten Perioden
entsprechend der größten bzw. kleinsten Herzfrequenz, bestimmt anhand der zuletzt
gemessenen Herzfrequenz, vorgegeben ist, d.h. über einen Herzschlagperiodenbereich
entsprechend der letzten (zuletzt gemessenen) Herzfre-+ quenz - etwa 15 Schläge/min.
Mit der Erfindung wird eine Vorrichtung geschaffen, in welcher die Datenverarbeitung
etwa
auf Echtzeitbasis und im wesentlichen ohne Beeinträchtigung
der Meßgenauigkeit erfolgt, indem die Phasendifferenz-Veränderliche t in der Autokorrelationsfunktion
innerhalb des genannten zeitlichen Bereichs variiert wird, um die Autokorrelationsfunktion
innerhalb dieses Bereichs zu berechnen. Bezüglich der näheren Erläuterung dieses
Punkts wird wiederum auf Fig. 5 verwiesen, in welcher auf der waagerechten Achse
die Periode bzw. Periodendauer eines fötalen Herzschlagsignals aufgetragen ist,
während die (auseinanderstehenden) Pfeile einen Bereich angeben, über den bzw. in
welchem eine Autokorrelationsfunktion berechnet wird. Der innerhalb der Grenzen
einer Periode von 300 bis 1500 ms liegende Rechenbereich stellt eine Zeitspanne
dar, die - wie durch die Pfeile angegeben -der zuletzt gemessenen Herzfrequenz t20
Schläge/min entspricht.
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Dies bedeutet, daß der Bereich, in welchem die Phasendifferenz-Veränderliche
t variiert wird, auf den genannten Zeitbereich begrenzt ist. Aus Fig. 5 geht hervor,
daß (erfindungsgemäß) eine maximale Änderung der Herzfrequenz von -20 Schläge/min
anstatt 15 Schläge/min vorausgesetzt wird. Die Festlegung dieser Änderung auf einen
etwas größeren Wert erfolgt, um eine gewisse Fehlerspanne zu berücksichtigen. Dies
geschieht zu dem Zweck, um jede Minderung der Meßdatengenauigkeit auszuschließen,
weil die zusätzliche Spanne etwaige Nichtberechnungen verhindert.
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Gemäß Fig. 5 wird also der Berechnungsbereich für die Autokorrelationsfunktion
bzw. der Bereich, in welchem die Phasendifferenz-Veränderliche Ç variiert wird,
so festgelegt, daß die Autokorrelationsfunktion-Berechnung lediglich auf einen Bereich
beschränkt ist, der einen wesentlichen Einfluß auf die zu berechnende Periode bzw.
Periodendauer hat. Auf diese Weise wird die Verarbeitung einer großen Zahl von praktisch
bedeutungslosen Daten vermieden und ein großer Beitrag zur Echtzeitverarbeitung
geleistet, für die im Hinblick auf die praktische
Realisierung
einer Periodendauermeßvorrichtung vom Autokorrelations-Typ ein großer Bedarf besteht.
Durch die vorstehend beschriebenen Merkmale der Erfindung wird außerdem weitgehend
die Möglichkeit dafür ausgeschaltet, daß Störsignale die Messungen beeinträchtigen.
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Eine Periodendauermeßvorrichtung vom Autokorrelations-Typ der anhand
von Fig. 5 umrissenen Art wird beispielsweise durch die Anordnung gemäß Fig. 6 gewährleistet.
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Gemäß Fig. 6 wird ein Wandler 2 in Berührung mit beispielsweise dem
Unterleib W eines weiblichen Patienten gebracht, um das fötale Herzschlagsignal
abzunehmen. Der Wandler 2 ist mit einer Abtastschaltung 4 über eine Vorverarbeitungsschaltung
3 verbunden. Das vom Wandler 2 abgegriffene Herzschlagsignal wird nach zweckmäßiger
Wellenformung durch die Vorverarbeitungsschaltung 3 mittels der Abtastschaltung
4 mit einer voreingestellten oder vorgegebenen Abtastperiode abgetastet (sampled)
und durch die Abtastschaltung 4 einer Analog/Digital- bzw. A/D-Umwandlung unterworfen.
Die Abtastschaltung 4 ist mit einem Datenspeicher 6 zur Speicherung der Abtastdaten
verbunden, der aus einer Anzahl von Schieberegistern besteht und die in digitaler
Form vorliegenden Abtastdaten "einzuschieben" vermag und so ausgelegfistdaß auf
einer Signalleitung ad vorgegebene, willkürliche Positionsdaten aus ihm ausgelesen
werden können. Weiterhin speichert der Datenspeicher 6 stets die letzten N Dateneinheiten,
beispielsweise die letzten 256 Dateneinheiten. An den Datenspeicher 6 ist eine Multiplizierstufe
8 angeschlossen, der wiederum eine Addierstufe 10 nachgeschaltet ist. Multiplizierstufe
8 und Addierstufe 10 berechnen die durch Gleichung (3) vorgegebene Autokorrelationsfunktion
auf der Grundlage der im Datenspeicher 6 gespeicherten Daten, wobei das Rechenergebnis
in einem mit der Addierstufe 10 verbundenen Korrelationsspeicher 12 gespeichert
wird. Die Multiplizierstufe 8
und die Addierstufe 10 können somit
als Rechenschaltung für die Berechnung der Autokorrelationsfunktion des Herzschlagsignals
angesehen werden.
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An den Korrelationsspeicher 12 ist ein Spitzen (wert) detektor 14
zur Erfassung der Spitzenwerte von den im Korrelationsspeicher 12 gespeicherten
Autokorrelationsfunktionsdaten angeschlossen. Mit dem Spitzendetektor 14 ist eine
Periodenrechenschaltung 16 verbunden, welche die Periode des Herz-~schlagsignals
bei Eingang eines Spitzenwert-Meßsignals vom Spitzendetektor 14 berechnet. Der Periodenrechenschalter
16 ist eine Herzfrequenz-Rechenschaltung 18 nachgeschaltet, welche die Herzfrequenz
auf der Grundlage des die Herzschlagperiode angebenden Signals von der Periodenrechenschaltung
16 berechnet. Diese Rechenschaltung 18 ist mit einer Regel- oder Steuerschaltung
20 verbunden, die ihrerseits an eine Anzeigevorrichtung 22 mit z.B. lichtemittierenden
Dioden angeschlossen ist, welche ihrerseits die Frequenz des Herzschlagsignals auf
der Grundlage des von der Rechenschaltung 18 über die Steuerschaltung 20 gelieferten
Signals anzeigt. Es kann vorkommen, daß das Signal von der Herzfrequenz-Rechenschaltung
18 eine Rausch- bzw. Störkomponente enthält oder die Sonde für die Herzschlagmessung
verrutscht. Die Steuerschaltung 20 ist daher so ausgelegt, daß sie das Signal von
der Herzfrequenz-Rechenschaltung 18 unter derartigen Bedingungen an einer Eingabe
in die Anzeigevorrichtung 22 hindert, um dadurch sicherzustellen, daß keine fehlerhafte
oder falsche Herzfrequenz angezeigt wird.
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Die Steuerschaltung 20 ist weiterhin mit einer Rechenbereich-Einstellschaltung
24 verbunden, welche den Bereich, über den die Autokorrelationsfunktion berechnet
wird, einstellt bzw. bestimmt und welche ihrerseits mit der Multiplizierstufe 8
und der Addierstufe 10 verbunden ist. Weiterhin ist ein Bezugspegeldetektor
26
mit der Steuerschaltung 20 und der Abtastschaltung 4 verbunden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist im folgenden anhand
von Fig. 7 im einzelnen erläutert. Die Rechenbereich-Einstellschaltung 24 bestimmt
den Bereich für die Berechnung der Autokorrelationsfunktion, wenn sie die Herzfrequenzdaten
unter der Steuerung durch die Steuerschaltung 20 von der Herzfrequenz-Rechenschaltung
18 erhält. Beispielsweise sei angenommen, daß der Bereich für die Berechnung eine
Zeitspanne entsprechend der zuletzt gemessenen Herzfrequenz t20 Schläge/min darstellt;
in diesem Fall wird die Autokorrelationsfunktion berechnet, während innerhalb der
Zeitspanne + entsprechend - 20 Schläge/min die Größe # für jeden Abtastvorgang fortlaufend
zu #1, #2, ...#m geändert wird. Zu diesem Zeitpunkt liefert die Rechenbereich-Einstellschaltung
24 die für die Berechnungen zu benutzende Phasendifferenz-Veränderliche t zur Multiplizierstufe
8 als Adressendaten für das Auslesen zweier, durch diese Veränderliche # voneinander
getrennter Dateneinheiten aus dem die Abgreif- bzw. Abtastdaten speichernden Datenspeicher
6. Die Multiplizierstufe 8 liest diese beiden, durch die Veränderliche #& voneinander
getrennten Abtastdateneinheiten xl und x-#1 aus dem Datenspeicher 6 aus und multipliziert
sie miteinander. Das Multiplikationsergebnis wird durch die Addierstufe 10 unter
der Steuerung durch die Rechenbereich-Einstellschaltung 24 zu einem Speicher M1
für die Größe im Korrelationsspeicher 12 addiert. Sodann liest die Multiplizierstufe
8 unter dem Einfluß der Einstellschaltung 24 die Größen x1 und sr2 aus dem Datenspeicher
6 aus, um diese beiden Dateneinheiten miteinander zu multiplizieren. Das Produkt
wird durch die Addierstufe 10 unter dem Einfluß der Einstellschaltung 24 einem Speicher
M2 für t2 im Korrelationsspeicher 12 zugeführt bzw. hinzuaddiert. Auf ähnliche Weise
wird die Berechnung, praktisch in Übereinstimmung mit Gleichung
(2)
bis zum Speicher Mm fortgesetzt, wobei das Ergebnis der Autokorrelationsfunktions-Berechnung
für jede Größe von b im Korrelationsspeicher 12 abgespeichert wird.
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Eine Berechnung der beschriebenen Art wird für jede Datenabtastoperation
durchgeführt, und die berechnete Autokorrelationsfunktion für das Herzschlagsignal
wird (jeweils) im Autokorrelationsspeicher 12 abgespeichert. Nach n Berechnungen
der angegebenen Art, z.B. nach 256 Autokorrelationsberechnungen bzw. Durchführung
der Berechnungen für jeweils n Abtastoperationen, wird die Gesamtsumme für n Operationen
gemäß Gleichung (2) ergänzt, worauf die Rechenbereich-Einstellschaltung 24 einen
Spitzenwert-Meßbefehl zum Spitzendetektor 14 liefert.
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Die in den in Fig 7 schematisch dargestellten Datenspeicher 6 eingeschriebene
Information dient zur Berechnung einer Autokorrelationsfunktion für einen einzigen
Abtastvorgang unter Benutzung der Daten Xy1, xt2, Xt3 ... X#m in bezug auf die Daten
x1. Wenn diese Berechnung in bezug auf die Daten x1 in jedem Abtastvorgang abgeschlossen
ist, werden neue Abtastdaten in die Position x1 verschoben, worauf die Berechnung
auf die beschriebene Weise auf der Grundlage dieser neuen Daten erfolgt: Der Spitzendetektor
14 erfaßt einen Spitzenwert anhand der größten, auf beschriebene Weise im Korrelationsspeicher
12 gespeicherten Rechengröße der Autokorrelationsfunktion. Bei Feststellung eines
solchen Spitzenwerts gibt der Spitzendetektor 14 ein Spitzenwert-Meßsignal ab. Die
Periodenrechenschaltung 16 nimmt dieses Spitzenwert-Meßsignal ab und berechnet die
Periode bzw. Periodendauer des Herzschlagsignals anhand der Größe der Phasendifferenz-Veränderlichen
in der Autokorrelationsfunktion zum Zeitpunkt der Feststellung oder Messung
dieses
Spitzenwerts. Die Herzfrequenz-Recberschaltung 18 berechnet die Herzfrequenz (Zahl
der Herzschläge pro Minute) durch Dividieren von 60 x 103 ms durch die Periode (in
ms) von der Perioden-Rechenschaltung 16 nach der beschriebenen Berechnung.
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Die Steuerschaltung 20 liefert in einem passenden Zeitintervall bzw.
zu einem passenden Zeitpunkt ein Signal zum Bezugspegeldetektor 26, der in Abhängigkeit
von diesem Signal den optimalen Bezugspegel (Null-Pegel) für einen Fall feststellt,
in welchem die Abtastdaten mit einem Vorzeichen versehen sind.
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Genauer gesagt: wenn diese Daten ein Vorzeichen aufweisen, ist die
Periodizität der Autokorrelationsfunktionskurve umso deutlicher, je ausgeglichener
die Polarität dieser Daten ist.
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Der Bezugspegeldetektor 26 ist für diesen Zweck vorgesehen.
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Er ermittelt die optimale Größe des Bezugspegels durch Erfassung des
Höchst- und Mindestwerts bzw. des Mittelwerts der Daten während der Abtastung.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 wird die Berechnung der Autokorrelationsfunktion
durch die Rechenbereich-Einstellschaltung 24 in der Weise gesteuert, daß die Berechnung
in einem Zeitbereich entsprechend der zuletzt gemessenen Herzfrequenz t20 Schläge/min
stattfindet, wobei die Periode des Herzschlagsignals gemessen werden kann, ohne
daß die Rechenzeit durch Abgreifen einer großen Zahl von im wesentlichen bedeutungslosen
Daten unnötig verlängert wird und ohne daß eine Minderung der Genauigkeit der Daten
eintritt.
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Genauer gesagt: die Rechenbereich-Einstellschaltung 24 berechnet auf
der Grundlage der zuletzt gemessenen Herzfrequenz die Mindest- und Höchstperiode
entsprechend einer in der Herzfrequenz-Rechenschaltung 18 auf noch zu beschreibende
Weise berechneten Zahl, zu der 20 Schläge/min hinzuaddiert wurden, sowie
einer
ähnlichen Zahl, von der 20 Schläge/min subtrahiert wurden. Die Schaltung 24 berechnet
somit die Mindest- und Höchstperiode entsprechend der größten bzw. kleinsten Herzfrequenz,
bezogen auf die zuletzt gemessene Herzfrequenz.
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Diese Mindest- und Höchstperioden entsprechen im wesentlichen der
Periode des Herzschlagsignals, und sie geben Adressen im Datenspeicher 6 an. Die
Adresse xt1 der Mindestperiode und die Adresse xfm der Höchstperiode werden durch
die Rechenbereich-Einstellschaltung 24 nach den folgenden Gleichungen berechnet:
wobei der Datenspeicher 6 von der Adresse 1 ausgehend adressiert wird.
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Im Hinblick auf die Echtzeit-Datenverarbeitung ist es jedoch nicht
besonders zweckmäßig, ein fötales Herzschlagsignal mit einer einheitlich konstanten
Abtastperiode über die gesamte Periode bzw. Periodendauer des Signals hinweg ab
zugreifen oder abzutasten, die im Bereich von etwa 300 ms bis etwa 1500 ms liegen
kann. Der Grund hierfür ist folgender: Wenn die Abtastperiode innerhalb der Grenzen
eines Herzschlagsignals, das möglicherweise eine kurze Periode-besitzt, kurz eingestellt
wird, wird die Erfassung einer dichten Datenreihe ermöglicht. Dies ist im Hinblick
auf eine hohe Meßgenauigkeit vorteilhaft. Innerhalb der Grenzen eines Herzschlagsignals,
das
möglicherweise eine lange Periode besitzt, ist jedoch die zeitliche Änderung des
Signals nicht besonders scharf, so daß praktisch keine Minderung der Genauigkeit
der Meßdaten eintritt, auch wenn die Abtastperiode lang gewählt wird. Wenn weiterhin
die Abtastperiode innerhalb der Grenzen einer langen Herzschlagsignalperiode entsprechend
der Abtastperiode innerhalb der Grenzen einer kurzen Herzschlagsignalperiode eingestellt
wird, wird eine praktisch unnötige Abtast- oder Abgreifoperation bezüglich einer
großen Datenmenge durchgeführt, die innerhalb der Grenzen des Signals mit der langen
Periode enthalten sind, das sich seinerseits im Zeitverlauf nicht besonders plötzlich
ändert. Durch diese unnötige Abtastung wird die Zahl der bedeutungslosen Berechnungen
erheblich vergrößert, so daß sie ein Haupthindernis für die Echtzeitmessung darstellt.
Außerdem können dabei in bestimmten Fällen Störsignale die Messungen beeinträchtigen.
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Im Hinblick auf die angegebenen Umstände ist es neben einer Begrenzung
des Rechenbereiches für die Autokorrelationsfunktion auch wünschenswert, die Abgreif-
bzw. Abtastperiode schrittweise in Übereinstimmung mit der Änderung der Herzschlagsignalperiode
auf die in Fig. 8 dargestellte Weise zu variieren, und dadurch Berechnungen an im
wesentlichen bedeutungslosen Daten zu vermeiden.
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Ein anderer Grund für die schrittweise Änderung der Abtastperiode
in Übereinstimmung mit der Änderung der Periode des Herzschlagsignals besteht darin,
daß sich die Periode, da sie der Herzfrequenz umgekehrt proportional ist, beispielsweise
bei einem Abfall der Herzfrequenz verlängert. Da sich der Zeitbereich entsprechend
+20 Schläge/min ebenfalls in übereinstimmung mit der Änderung der Herzschlagsignalperiode
ändert, ist es erforderlich, die Abgreif- bzw. Abtastperiode entsprechend
dieser
Änderung der Herzschlagsignalperiode zu variieren.
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Im einzelnen wird der breitestmögliche Bereich der Herzschlagsignalperiode
in mehrere einzelne Bereiche bzw. Abschnitte unterteilt, und die Abtastperioden
einer Größe, welche der Größe der Periode des Herzschlagsignals in jedem Abschnitt
angepaßt ist, werden entsprechend den jeweiligen einzelnen dieser Abschnitte bestimmt.
Dies bedeutet, daß eine kurze Abtastperiode in einem Abschnitt-hoher Herzfrequenz,
nämlich in einem Abschnitt einer kurzen Herzschlagsignalperiode, gesetzt wird, während
eine lange Abtastperiode in einem Abschnitt niedriger Herzfrequenz bzw. langer Herzschlagsignalperiode
gesetzt wird.
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Gemäß Fig. 8 werden für die Abtastperioden zwei Schwellenwerte TH1,
TH2 über den möglichen Bereich der Herzschlagsignalperiode hinweg festgelegt, wobei
dieser Bereich in drei Abschnitte I, II und III unterteilt wird. Entsprechend diesen
Abschnitten werden voneinander verschiedene Abtastperioden festgelegt. Diese Abtastperioden
ändern sich schrittweise entsprechend der Änderung der Periode des Herzschlagsignals.
Die Schwellenwerte TH TH2 sind beispielsweise auf 600 ms bzw. 1000 ms festgelegt.
In diesem Fall beträgt daher der Bereich bzw. die Länge dieser drei Abschnitte 300
bis 600 ms, 600 bis 1000 ms bzw. 1000 bis 1500 ms.
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Im Abschnitt I mit der kurzen Periode von 300 bis 600 ms ist die Änderung
des Herzschlagsignals über die Zeit vergleichsweise groß. Zur Gewährleistung einer
hohen Genauigkeit der Meßergebnisse muß daher eine kurze Abtastperiode angewandt
werden. Im Bereich II mit der mittleren Periode von 600 bis 1000 ms ist die zeitabhängige
Signaländerung nicht so groß wie
in Abschnitt I, so daß eine längere
Abtastperiode als im Abschnitt I gewählt wird. Im Abschnitt III mit der langen Periode
von 1000 bis 1500 ms erfolgt die Signaländerung besonders langsam, so daß hier die
längste Abtastperiode angewandt wird. Mit anderen Worten: die Signalperiodenabschnitte
werden schrittweise oder stufenweise entsprechend der Vergrößerung der Herzschlagsignalperiode
jeweils so festgelegt, daß sie fortlaufend größer sind.
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Wenn die Abtastperioden in den Abschnitten I, II und III mit s-I'
Ts-II bzw. Ts-III bezeichnet werden, sind diese Abtastperioden entsprechend der
Ungleichung Ts-I<Ts-II<TS-III aufeinander bezogen.
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Die Festlegung oder Einstellung der Abtastperioden T Ts-II, Ts III
variiert in Abhängigkeit von der Unterteilung der Abschnitte I bis III. Wenn diese
drei Abschnitte, wie erwähnt, auf von 300 bis 600 ms, von 600 bis 1000 ms bzw. von
1000 bis 1500 ms festgelegt sind, können die Abtastperioden Ts-I, Ts-IIR Ts-III
z.B. 5 ms, 7,5 ms bzw. 11,25 ms betragen.
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In dem Fall, in welchem ein Abschnitt in einen anderen übergeht, können
die durch Messungen im ersten bzw. vorhergehenden Abschnitt erhaltenen Abtastdaten
nach Umwandlung in Periodendaten entsprechend der im neuen bzw. nächsten Abschnitt
festgelegten Abtastperiode benutzt werden. Zur Erleichterung dieser Umwandlung bzw.
Modifikation sollte die Änderungsgröße der Abtastperiode zwischen zwei benachbarten
Abschnitten ein konstantes Verhältnis besitzen. Ein besonders bevorzugtes konstantes
Verhältnis ist ein solches, das sich durch einen Bruch, wie 3/2, 4/3 usw., ausdrücken
läßt.
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Die Zahl der Perioden bzw. Abschnitte, in denen die Ahtatperiode
geändert
wird, kann willkürlich gewählt werden; eine unterschiedslose Vergrößerung dieser
Zahl bedingt jedoch eine größere Komplexität, so daß sie unerwünscht ist. Die Zahl
dieser Abschnitte sollte unter Berücksichtigung des Zwecks der Messung, der Meßgenauigkeit
und der Erhöhung der Rechengeschwindigkeit auf eine zweckmäßige Größe festgelegt
werden, beispielsweise auf drei Abschnitte, wie bei der beschriebenen Ausführungsform.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 ist eine Bereich-Einstellschaltung
28 vorgesehen, welche den Gesamtbereich der Herzschlagsignalperiode in drei Teilbereiche
bzw. Abschnitte unterteilt und auf zweckmäßige Weise vom einen dieser Abschnitte
auf einen anderen umschaltet oder übergeht, um der Änderung der Herzschlagsignalperiode
zu entsprechen. Die Einstellschaltung 28 ist mit der Steuerschaltung 20, der Abtastschaltung
4 und der Perioden-Rechenschaltung 16 verbunden.
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Die Bereich-Einstellschaltung 28 wechselt den Teilbereich bzw.
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Abschnitt be#i Eingang eines entsprechenden Befehlsignals von der
Steuerschaltung 20. Letztere empfängt ein die Herzfrequenz angebendes Signal von
der Herzfrequenz-Rechenschaltung 18, berechnet die Herzschlagperiode entsprechend
der Herzfrequenz und erzeugt ein Befehlssignal für den der Herzschlagperiode entsprechenden
bzw. angepaßten Teilbereich bzw. Abschnitt.
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Wenn daher die berechnete Herzschlagsignalperiode den Periodenbereich
in dem zum betreffenden Zeitpunkt bestimmten Abschnitt übersteigt, liefert die Steuerschaltung
20 zur Bereich-Einstellschaltung 28 ein Signal, das den der Herzschlagsignalperiode
entsprechenden neuen Abschnitt des Periodenbereichs angibt. Wenn beispielsweise
ein Bereich I eingestellt oder festgelegt ist, in welchem der Periodenbereich zwischen
300 und 600 ms liegt, und die Messung innerhalb des Abschnitts I
erfolgt,
kann vorausgesetzt werden, daß sich die Herzschlagsignalperiode, welche der durch
das Signal von der Rechenschaltung 18 angegebenen Herzfrequenz entspricht, von 590
ms bis 610 ms ändert. In diesem Fall liefert die Steuerschaltung bei einer Abtastperiode
von z.B. 5 ms ein Befehlsignal für eine Änderung des Meßbereichs bzw. -abschnitts
vom Abschnitt I #auf den Abschnitt II, in welchem die Änderung der Periode zwischen
beispielsweise 600 ms und 1000 ms erfolgt. Die Bereich-Einstellschaltung 28 nimmt
dieses Signal ab und liefert ein Abtastperioden-Änderungssignal zur Abtastschaltung
4, welche auf dieses Signal dadurch anspricht, daß sie die Abtastperiode auf die
im Abschnitt II vorgegebene Periode von z.B.
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7,5 ms ändert. Wenn mithin die Periode entsprechend der gemessenen
Herzfrequenz den für einen festgelegten Teilbereich bzw. Abschnitt festgelegten
Periodenbereich übersteigt, wird der Abschnitt so geändert oder gewechselt, daß
die Abtastperiode auf die in diesem neuen Abschnitt vorgegebene Periode übergeht.
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Die Bereich-Einstellschaltung 28 liefert der Perioden-Rechenschaltung
16 ein Signal, das die für den eingestellten Teilbereich bzw. Abschnitt bestimmte
Abtastperiode bezeichnet.
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Die Perioden-Rechenschaltung 16 berechnet eine, Periode T anhand der
durch die Rechenbereich-Einstellschaltung 24 vorgegebenen Phasendifferenz-Veränderlichen
t1 , der Abtastperiode T5 sowie einer Adresse Ap (nicht dargestellt) im Korrelationsspeicher
12, wobei in dieser Adresse der Spitzenwert gespeichert ist, welcher dem Spitzendetektor
14 zugeführt wird. Die durch die Perioden-Rechenschaltung 16 durchgeführte Operation
läßt sich durch folgende Gleichung ausdrücken: T = #1 x Ts + (Ap - 1) x Ts - (4)
Darin
bedeuten: t1 = - Mindestgröße der Phasendifferenz-Veränderlichen in dem Bereich,
über den die Autokorrelationsfunktions-Berechnung stattfindet, Ap = Adresse, an
welcher die Spitzendateneinheit im Korrelationsspeicher 12 gespeichert ist'und T5
= Abtastperiode. Der Korrelationsspeicher wird ausgehend von der Zahl 1 adressiert.
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Genauer gesagt: die durch die Rechenbereich-Einstellschaltung 24 vorgegebene
Phasendifferenz-Veränderliche '11 1läßt sich als T1 = t1 x (Abtastfrequenz) auf
Echtzeitbasis ausdrücken. Wenn beispielsweise der Korrelationsspeicher-Adressenplatz,
in welchem der vom Spitzendetektor 14 gelieferte Spitzenwert gespeichert ist, gemäß
Fig. 7 M4 entspricht, beträgt die Periode T zu diesem Zeitpunkt, wie aus Fig. 7
hervorgeht, T = T1 + 3 x (Abtastfrequenz). Die Perioden-Rechenschaltung 16 führt
eine entsprechende Berechnung zur Ableitung der Herzschlagperiode durch.
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Zu Betriebsbeginn der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung mißt die Rechenbereich-Einstellschaltung
24 eine Herzfrequenz, die als Bezugsgröße dient. Die Anfangs- bzw. Ausgangsgröße
wird durch Verlängerung der Abtastperiode T5 und Berechnung der Autokorrelationsfunktion
über den vollen Periodenbereich von 300 bis 1500 ms ermittelt. Die auf diese Weise
ermittelte Ausgangsgröße ist zwar ungenau, jedoch als Ausgangsgröße ausreichend.
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Wie vorstehend beschrieben, wird erfindungsgemäß die Berechnung einer
Autokorrelationsfunktion bei der Messung eines Herzschlagsignals in der Weise gesteuert,
daß die Berechnung in einem Bereich erfolgt, der einen wesentlichen Einfluß auf
die zu berechnende Periode besitzt, beispielsweise in einem zeitlichen Bereich entsprechend
der letzten bzw. zuletzt gemessenen Herzfrequenz
f20 Schläge/min.
Mit der Erfindung wird somit eine Periodendauermeßvorrichtung geschaffen, bei welcher
praktisch keine Minderung der Genauigkeit der berechneten Daten eintritt und bei
welcher die Datenverarbeitung im wesentlichen auf Echtzeitbasis ausgeführt werden
kann, ohne daß die Rechenzeit durch Abtastung einer großen Zahl von im wesentlichen
bedeutungslosen Daten übermäßig und unnötig.verlängert wird.
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Erfindungsgemäß wird weiterhin die Abtastperiode T verlän-5 gert,
wenn sich die Herzschlagperiode verlängert, so daß eine vergrößerte Datenmenge in
den Datenspeicher 6 eingegeben wird Darüber hinaus ist die Zahl der möglichen Berechnungen
(Zahl der Phasendifferenz-Veränderlichen t1 bis tm) zur Ermittlung der Autokorrelationsfunktion
zwischen einem Abtastzeitpunkt und dem nächsten durch die Zeit begrenzt, die für
die durch die Abtastperiode bestimmte Rechenverarbeitung benutzt werden kann. Wenn
somit die Abtastperiode beispielsweise mit L multipliziert wird, entspricht der
größte berechenbare Bereich der Autokorrelationsfunktion (Mehrfaches der Abtastperiode)
x (Mehrfaches der Zahl der innerhalb der Abtastperiode durchführbaren Rechenvorgänge).
Aus der vorangehenden Beschreibung ergibt sich, daß jeder dieser Faktoren gleich
L ist, so daß die maximale Größe der Phasendifferenz-Veränderlichen, die sich berechnen
läßt, um etwa das L2-fache größer ist.
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Neben der Begrenzung des Bereichs, über den bzw. in welchem die Autokorrelationsfunktion
berechnet wird, variiert schließlich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch die Abtastperiode
in Anpassung an die Änderung der Periode des Herzschlagsignals, so daß die Rechenzeit
ohne wesentliche Beeinträchtigung der Genauigkeit der Daten erheblich verkürzt werden
kann. Aufgrund der schrittweisen Änderung der Abtastperiode in einem festen Verhältnis
können außerdem alte
Daten revidiert und hierauf als neue Daten
benutzt werden, so daß eine kontinuierliche Messung möglich ist und die Datenverarbeitung
auf Echtzeitbasis ausgeführt werden kann.
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Selbstverständlich ist die Erfindung keineswegs auf die vorstehend
dargestellte und beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern verschiedenen
Änderungen und Abwandlungen zugänglich, ohne daß vom Rahmen der Erfindung abgewichen
wird.
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