DE2263180A1

DE2263180A1 - Ueberwachungsgeraet fuer biologische signale

Info

Publication number: DE2263180A1
Application number: DE2263180A
Authority: DE
Inventors: Paul Epstein; Joseph Mark Van Horn; Patrick Gregory Phillipps
Original assignee: BRATTLE INSTRUMENT CORP
Current assignee: Wyeth LLC
Priority date: 1971-12-30
Filing date: 1972-12-22
Publication date: 1973-07-05
Also published as: DE2265229C2; DE2263180C2; JPS4878793A; DE2265229A1; GB1410940A; GB1410939A; JPS572331B2; FR2166971A5; CA993522A; IT976241B; US3811428A

Description

8966 - 72 Ks/Sö ■

U.S. Serial No: 214,287 ._R

Filed: December 30, 1971 ; £40,3 I

BRATTLE INSTRUMENTS CORPORATION

Überwachungsgerät für biologische Signale

Die Erfindung betrifft die Überwachung biologischer Signale und ist besonders geeignet für die Messung der fötalen Herzfrequenz.

Es ist bekannt, daß die Änderungsmuster der fötalen Herzfrequenz während körperlicher Arbeit Informationen über das Wohlergehen des Fötus enthalten. Man hat sich daher bemüht, die fötale Herzfrequenz genau zu messen. Bei einigen dieser Versuche wurden die Herztöne direkt akustisch aufgenommen. Andere Versuche erfolgten auf der Grundlage der Dopplerverschiebung eines Ultraschallsignals, welches von der sich bewegenden Wand des fötalen Herzens reflektiert wird. Wiederum andere Versuche bestanden darin, elektrische Signale entweder.direkt von der fötalen Schädeldecke oder durch den Unterleib der Mutter aufzunehmen. Diese letztgenannte "abdominale" Signalerfassung wird kompliziert durch den Verdeckungseffekt der mütterlichen Herzschläge, die um vieles stärker als die fötalen Herzschläge sind und sich häufig mit jenen vermischen (d.h. gleichzeitig auftreten). Ferner gibt es bei dieser Methode eine Vielzahl anderer Störquellen, die eine genaue Erfassung der sehr schwachen fötalen Signale äusserst schwierig machen. Die zur Zeit vorhandenen Geräte für die abdominale Signalerfassung sind schwer zu bedienen und nicht immer genau·

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Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Echtzeit-Überwachung der fötalen Herzfrequenz (sowie auch die analoge Überwachung anderer relativ schwacher Komponenten komplexer biologischer Signale, wie z.B. der T- und P-Zacken im EKG) auf genauere und zuverlässigere Weise und dennoch mit einer relativ preiswerten und leicht zu bedienenden Einrichtung. Das erfindungsgemäße System kann über einen großen Bereich von Frequenzen arbeiten, es ist für eine sehr gute elektrische Isolation des Patienten gesorgt, und ausserdem wird ein ausgezeichnetes Gleichgewicht zwischen der Vermeidung von Auslesungen falscher Informationen einerseits und der Geringhaltung von Ausleseausfällen andererseits erreicht, während welcher richtige Informationen verloren gehen (einschl. z.B. einer schnellen Erholung von durch Rauschen verursachten Ausfällen).

Allgemein ist die Erfindung ein Überwachungsgerät für ein erstes elektrisches Signal, welches eine erste Komponente eines sich wiederholenden komplexem biologischen Signals darstellt und eine zweite Komponente enthält, welche stärker als die erste Komponente ist. Wenn die Erfindung als überwachungsgerät für die fötale Herzfrequenz ausgebildet iöt _f dann sind diese beide Komponenten die Kammerkomplexe (QRS-Komplexe) des Fötus und der Mutter. Das erfindungsgemäße Überwachungsgerät enthält einen Signalverarbeitungskanal, in welchem die ersten Signale erfaßt werden. Zweite Signale, die charakteristisch für das Auftreten der zweiten Komponente sind, werden längs eines Teils dieses Kanals übertragen. Das Überwachungsgerät enthält ferner eine Schaltung zur automatischen Schwellenwertbildung in dem besagten Kanal, um der Signalamplitude zu folgen und ein Ausgangssignal zu liefern, welches das Vorhandensein der ersten Komponente' nur dann signalisiert, wenn ein Signal empfangen wird, dessen Amplitude ein vorbestimmtes Verhältnis zur Amplitude des zuvor verfolgten Signals hat. Ferner enthält das erfindungsgemäße Überwachungsgerät eine Einrichtung, die verhindert,

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daß die Schaltung zur automatischen Schwellenwertbildung auf die zweiten Signale anspricht. Verschiedene allgemeine anderen Merkmale der Erfindung sind eine logische Schaltung zur Erzeugung von Auslesesignalen wobei die Entscheidung für jedes Auslesesignal teilweise auf einer statistischen Vorhersage "beruht, die von dem Bild der in der Vergangenheit empfangenen Signale abgeleitet ist. Die logische Schaltung enthält (im Falle eines Überwachungsgeräts für die fötale Herzfrequenz) eine Phasenverriegelungsschleife zur Erzeu-, gung von auf die Schleifenfrequenz bezogenen Signalen für die fötale Herzfrequenz. Die Schleife enthält eine Einrichtung zum Schätzen der Frequenz während des Auftretens von Lücken in dem modifizierten Signalzug, die durch Entfernen derjenigen Signale entstanden sind, welche zusammenfallende mütterliche und fötale Herzschläge darstellen. Ferner ist ein Zähler vorgesehen, der auf die Abweichung zwischen der Zeit des Signalempfangs durch die logische Schaltung von der entsprechenden Vorhersage anspricht. Der Stand des Zählers nimmt zu, wenn diese Abweichung größer als ein vorgegebener Wert ist, und der Stand des Zählers nimmt ab, wenn diese Abweichung geringer als ein vorbestimmter Wert ist. Die Auslesung wird abgeschaltet, wenn der Zähler höher als ein erster Zählerstand steht, und die Ableitung der Vorhersage wird erneut begonnen, wenn der Zähler einen zweiten höheren Zählerstand erreicht. Das Überwachungsgerät kann Elektroden zur Signalabnahme am menschlichen Körper aufweisen und einen niederohmigen Vorverstärker enthalten, dem ein Trennverstärker hoher Impedanz nachgeschaltet ist, der seinerseits magnetisch (oder auf andere Weise indirekt) mit seinem Ausgang an den übrigen Teil der Signalverarbeitungsschaltung gekoppelt ist. Als weitere Bestandteile können vorgesehen sein: Eine Verzögerungseinrichtung zum Empfang derjenigen Signale, die noch Überreste der unvollkommen entfernten zweiten (mütterlichen) Signale enthalten, sowie eine Einrichtung zum Ausschließen solcher Überreste vom Ausgang der Verzögerungseinrichtung, ein Falter mit niedrigem

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Gütefaktor für die linear behandelten,den fötalen QRS-Komplexen entsprechende Signale, dessen Ausgang mindestens 25 % seiner Signalenergie im 50-100 Hz-Bereich (mit Ausnahme des 60 Hz-Rauschens) enthält, und ein Kerbfilter zur Unterdrückungeides 60 Hz-Rauschens.

In bevorzugter Ausgestaltung enthält die Erfindung eine digitale Phasenverriegelungsschleife, welche wiederkehrende sogenannte "Fenster" erzeugt, die so groß und in einem solchen Abstand zueinander sind, daß sie sich mit einem fötalen Signal überlappen, was auf der Basis der Statistik vorangegangener Abstände ungeachtet einer Änderung innerhalb vorgegebener Grenzen erzielt wird. Dabei wird dafür gesorgt, daß unter bestimmten Bedingungen die Phase und Frequenz der"Fenster" auf den neuesten Stand gebracht wird, und zwar aufgrund der !,tatsächlichen Positionen der Signale innerhalb der Fenster. Eine gesonderte Elektrode dient zur Aufnahme der Signale des mütterlichen QRS-Komplexes, wobei diese Signale in bestimmter zeitlicher Beziehung mit der Übertragung der mütterlicher Signale über den ersten Kanal durch eine Signalverarbeitungsschaltung gesendet werden. Diese Schaltung hat eine Verbindung zum ersten Kanal, um die mütterlichen Signale daraus zu entfernen. Sowohl für die mütterlichen als auch die fötalen Signale ist eine Einrichtung zur automatischen Schwellenwertbildung vorgesehen. Für die fötalen Signale enthält sie eine Anordnung zur Speicherung und zum Abklingenlassen von Spitzenwerten zwischen einer oberen Grenze und einer variablen unteren Grenze, die von dem über die Jüngstvergangene Zeit gebildeten Signalmittelwert abhängt.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus nachstehender Beschreibung hervor, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert wird·

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Figur 1 ist ein Blockschaltbild der analogen signalverarbeitenden Spaltung;

Figuren 2a,b ergeben zusammen ein der Figur 1 entsprechendes Schaltbild;

Figuren 3 bis 8 zeigen als Spannungs/Zeit-Kurven den Signalverlauf an verschiedenen Stellen der in den Figuren 1, 2a und 2b gezeigten Schaltung;

Figur 9 ist ein · £!lußdiagramm des Algorithmus der digitalen Phasenverriegelungsschleife und der Auslesung;

Figur 10 ist ein Blockschaltbild der digitalen Verriegelungsschaltung und der Ausleseschaltung;

Figuren 11a, b, c, d ergeben zusammen eine der Figur 10 entsprechendes Schaltbild;

Figuren 12 und 13 zeigen Schaltbilder für Taktimpulsgeneratoren;

Figur 14 zeigt teilweise in Blockform das Schaltbild der Einrichtung zur Herstellung der.variablen unteren Grenze im Spitzendetektor für die fötalen Signale*

Die in Figur 1 dargestellten Elektroden 10 und 11 werden am Patienten angebracht, um die QRS-Signale der Mutter und des Fötus aufzunehmen und sie über höchst rauscharme verstärker 12 und 13 (Verstärkungsfaktor 30) den Patienten-Trennvei"·-- stärkern 16 und 18 zuzuführen. Die Elektrode 11 wird auf den Unterleib gelegt, wo man das beste fötale Signal erhält, und die Elektrode 10 wird vorzugsweise an einer Stelle (z. B. auf den Rippen) angeordnet, wo man die stärksten mütterlichen Signale erhält«, Eine Bezugselektrode 20 wird an die Hüfte gelegt.

Die Verstärker 12 und 13 haben eine niedrige Impedanz in der Größenordnung von 10^ 0hm„ Wie in dem Detailschaltbild der Figuren 2a - b gezeigt ist, sind diese Verstärker mit jeweils einem 100 KS -Widerstand und einem 0,01 ^F-Kondensator geshuntet. Es wurde herausgefunden, daß eine solche niedrige Impedanz einen verbesserten Rauschabstand liefert,der den Nachteil der entsprechenden Verminderung des gesamten Signal«

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pegels aufwiegt. Die Verstärker 16 und 18 sind Jeweils ein mit dem übrigen System und der Energieversorgung der Verstärker gekoppelter Transformator und bilden eine sehr hohe

12 Impedanz (in der Größenordnung von 10 Ohm) zwischen dei Elektroden und Masse, so daß der Patient vor Stromschlägen geschützt ist.

Das verstärkte mütterliche Signal durchläuft ein aktives Bandpaßfilter 28 niedriger Güte (Q-Wert kleiner als 10 und vorzugsweise 0,5 bis 1) und einer Mittenfrequenz von 17 Hz (das Optimum innerhalb eines bevorzugten Mittenfrequenzbereichs von 15 bis 25 Hz), der Mitte der Spitzenenergie in den mütterlichen ORF-Zacken. Das verstärkte fötale Signal gelangt«'durch ein kaskadengeschaltetes Paar von aktiven Bandpaßfiltern 30 und 32 ähnlich niedriger Güte und einer Mittenfrequenz von 32 Hz -(dem Optimum in einem bevorzugten Mittenfrequenzbereich von 25 bis 40 Hz), der Mitte der Spitzenenergie in den fötalen QRS-Zacken, wobei sich diese Energie grob geschätzt über den Bereich von 5 Hz bis 100 Hz erstreckt. (Gemäß dem Detailschaltbild nach Figur 2 sind die Filter 28 und 30 mit den Verstärkern 16 und 18 vereinigt, deren erster ein Verstärkungsfaktor von20 und deren zweiter einen Verstärkungsfaktor Von 40 bei einem Gütefaktor von Q = 1 liefert). Diese Filter niedriger Güte zeigen ein ausgezeichnetes Einschwingverhalten (gleichwertig mit angepaßten Filtern) gegenüber den bis hier linear behandelten Signalen, die sie empfangen. Die Filterkennlinien des kaskadengeschalteten Filterpaars 30, 32 multiplizieren sich, wodurch die Bandbreite schmaler wird und eine sehr flache Kennlinie entsteht. Der Ausgang des Filters 32 hat mindestens 25 % der Signalenergie im Bereich von 50 bis 100 Hz (mit Ausnahme des 60 Hz-Rauschens), weil hier die wesentliche Nutzenergie der fötalen Signale liegt,. Durch die hiermit effektiv erhöhte Ausnutzung der fötalen Signalenergie (mit dem begleitenden 60 Hz-Rauschen, wird

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sich später gesondert befaßt) wird der Rauschabstand endgültig verbessert.

Die von den Filtern 28 und 30 kommenden Signale speisen spannungsgesteuerte Oszillatoren 29 und 31, welche die Eingangsspannung in eine linear davon abhängige Frequenz umsetzen und somit ein FM-Signal der Eingangswelle erzeugen. Die Ausgangssignaledsr Oszillatoren laufen über Trenntransformatoren, die mit Demodulatbns- und Analogschaltungen gekoppelt sind. Diese Schaltungen enthalten analoge Phasenverriegelungsschleifen 33 und 35 und verwandeln die Signale zurück in eine Wellenform, welche der den spannungsgesteuerten Oszillatoren zugeführten Wellenform entspricht.

Nach weiterer Verstärkung der mütterlichen Signale im V_erstärker 34 durchlaufen die mütterlichen und fötalen Signale jeweils ein auf 60 Hz abgestimmtes Doppel-T-Kerbfilter 36 bzw. 38 zur Dämpfung des 60 Hz-Rauschens, und werden anschließend Präzisions-Vollweggleichrichtern 40 und- 42 zugeführt. Figur 3 zeigt die mütterlichen und fötalen Signalformen 44 und 46 (die Wellenform 46 enthält natürlich noch sowohl mütterliche als auch fötale Signale) an den Gleichrichtereingängen^ und 48 und 50 an den Gleichrichterausgängen. Wegen der Gleichrichter entfällt die Notwendigkeit, auf unterschiedliche Signalpolarität Rücksicht zu nehmen. Zunächst sei das mütterliche Signal betrachtet. Der Ausgang des Gleichrichters 40 wird sowohl dem Spitzendetektor 52 als auch dem Komparator 54 zugeführt. Der Spitzendetektor speichert zunächst den Wert der Spitzenamplitude eines ihm zugeführten Signals und läßt ihn dann allmählich in Richtung auf Null abklingen, bis er ein weiteres Signal empfängt, dessen Spitzenamplitude höher als der Augenblickswert ist, auf den der ursprünglich gespeicherte Spitzenwert

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abgesunken ist. Somit wird nunmehr der neue Spitzenwert gespeichert, usw. Der Komparator 54 empfängt am zweiten Eingang 90 % (der bevorzugte Bereich ist 70 bis 90 %) des in dem Spitzendetektor gespeicherten Werts. Der Komparator "zündet" immer dann, wenn der Spitzenwert am Ausgang des Gleichrichters 40 größer als 90 % des im Spitzendetektor gespeicherten Werts ist. Auf diese Weise erfolgt eine automatische Schwellenwertbildung für den müttlerlichen Signalzug, wobei eine Entscheidung über das Vorhandensein oder das Fehlen einer mütterlichen QRS-Welle zu jeder gegebenen Zeit auf der Grundlage der jüngsten Vorgeschichte dieser Wellen getroffen wird. Somit erfolgt eine genaue Erfassung ungeachtet der Änderungen des allgemeinen Signalpegels. Für den Spitzendetektor ist eine obere Grenze eingestellt, so daß ein vorübergehender starker Storsignalstoß den gespeicherten Wert nicht auf einen irreführend hohen cPegel bringen kann.

Der Ausgang des Komparators 54 wird zum Anstoßen eines Univibrators (monostabiler Multivibrator) 56 herangezogen, dessen Impulsbreite oder Rückkippzeit so groß ist wie das breiteste zu erwartende mütterliche QRS-Signal (z.B. Millisekunden).

Figur 4 zeigt den Ausgang 57 des Spitzendetektors 52, den Ausgang 58 des Komparators 54 und den Ausgang 59 des Univibrators 56.

Was das fötale Signal betrifft, wird das Ausgangssignal des Gleichrichters 42 einem Paynter-Mittelwertfllter 60 zugeführt, welches einen sich bewegenden Mittelwert des Signals bildet und das Verhältnis zwischen den Stärken der fötalen und mütterlichen Signale günstiger macht. Die besagte Mittelwertbildung erfolgt über eine Zeitspanne von etwa 17 Millisekunden (das Optimum in einem bevorzugten Bereich von 12 bis 20 Millisekunden) d.h. die Zeitkonstante

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ist so gewählt,daß sie der zu erwartenden Dauer der fötalen QRS-Wellen angepaßt ist. Figur 5 zeigt den Ausgang 62 des Paynter-Eiiters, der fötale Impulse 64 und mütterliche Impulse 66 enthält, wobei die letzteren die ersteren natürlich Überdecken, wenn die Herzschläge des Fötus und der Mutter zusammenfallen.

Die Ausgangssignal des Paynter-Filters 60 und des Univibrators 56 werden einer analogen Torschaltung 70 zugeführt, die jedesmal während des Erregungszustandes des Univibrators sperrt und somit alle mütterlichen Impulse mit Ausnahme ihrer Vorderflanken aus dem Ausgangssignal des Paynter-Filters ausblendet. Das Ergebnis ist in Figur 6 dargestellt, wo die Nadelimpulse 72 die Vorderflanken der ausgesperrten mütterlichen Impulse sind.

Das resultierende Signal gelangt über einen Verstärker 74 sowohl zu einem Spitzendetektor 76 als auch zu einem Komparator 78, die beide, ebenso wie der Spitzendetektor 52 und der Komparator 54 für.die mütterlichen Impulse, zur Erfassung der fötalen Impulse 64 unter automatischer Schwellenwertbildung dienen. Die Ladezeitkonstante des Spitzendetektors ist mit etwa 3 bis 4 Millisekunden sogpwähit, daß die von den mütterlichen Signalen herrührenden Nadelimpulse 72 keine Rückstellung bewirken. Der Spitzendetektor wird mit einer oberen und unteren Grenze ausgestattet, wobei die untere Grenze zur Unterdrückung von niederpegeligem Rauschen vorgesehen ist, welches einen fötalen Impuls verfälschen könnte. Obwohl durch die untere Grenze sehr' schwache fötale Impulse säten ausgeblendet werden können,ist die Anordnung vorzugsweise so aufgebaut, daß eine direkte Darstellung der Ausgangssignale des Filters 32 eingeschaltet werden kann, was an dieser Stelle jedoch nicht im einzelnen beschrieben wird. Die untere Grenze kann zwar fest eingestellt sein, -jedoch .wird eine größere Genauigkeit (angesichts vonHnderungen des allgemeinen Rauschens oder der fötalen

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Signalpegel) erzielt, wenn der Grenzwert in Übereinstimmung mit einem Signalmittelwert geändert wird, den der Spitzendetektor während einer unmittelbar vorangegangenen Periode, z.B. während der letzten 10 Sekunden» erreicht hat. In Figur 14 ist eine Schaltungsanordnung 79 gezeigt, die eine solche variable untere Grenze von z.B. dem doppelten des besagten Signalmittelwerts herstellt. Die Ausgangssignale 80 und 82 des Spitzendetektors und des !Comparators sind in Figur 7 gezeigt. Die Impulse 84 entsprechen den fötalen Zacken und die Nadelimpulse 86 den Vorderflanken der mütterlichen Zacken.

Das Ausgangssignal 82 des Komparators 78 durchläuft dann ein Schieberegister 90 (Figuren 1, 11a), welches eine Verzögerung von 32 Millisekunden bewirkt. Der Univibrator 56 stellt jedesmal, wenn er erregt wird, das Register auf Null, so daß die Nadelimpulse 86 unterdrückt werden. Somit werden alle Überreste der mütterlichen Impulse ungeachtet einer Änderung der mütterlichen Impulsfrequenz entfernt, wenn auch zeitweilig auf Kosten aller mit den mütterlichen Impulsen zusammenfallenden fötalen Impulsen-. Der Ausgang 85 des Schieberegisters ist in Figur 8 dargestellt. Das Register wird so gesteuert, daß es gleichzeitig mit der abfallenden Flanke eines jeden Impulses einen 4 Millisekunden breiten Impulsen 87 liefert. Es hat sich herausgestellt, daß die Zeit zwischen den abfallenden Flanken ein genaueres Maß für den Impulsabstand ist als die Zeit zwischen den Anstiegsflanken.

Der resultierende Signalzug hat im allgemeinen im Vergleich mit der tatsächlichen Folge der fötalen Herzschläge einige Lücken, die fehlenden fötalen Signalen entsprechen. Andererseits enthält der resultierende Signalzug natürlich auch einige Impulse (Rauschen), die keinen wirklichen Herzschlägen entsprechen* Die nachstehend beschriebene Digital-

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schaltung ist dazu ausgelegt, den besagten Signalzug durch Wiederherstellung der fehlenden fötalen Impulse und durch Entfernung des Rauschens bzw. der Störungen so weit wie möglich zu modifizieren.

Allgemein verwendet die Digitalschaltung eine Phasenverriegelungsschleife, und es wird eine Folge von sogenannten Zei "Fenstern" (deren jedes im wesentlichen die positive Hälfte einer Rechteckwelle ist) mit einer Periode und einer Phase erzeugt, die jeweils aufgrund der jüngsten Vorgeschichte des Ausgangs des Schieberegisters 90 derart auf den neuesten Stand gebracht wird, daß die Mitte der Fenster auf die Impulse 87 zu liegen kommt. Jeder ausserhalb eines Fensters empfangene Impuls 87 wird für die Auslesung ignoriert. Die Schleife ignoriert ebenso Impulse, die zu zweit oder zu mehreren in ein einzelnes Fenster fallen. Der ausgelesene Wert ist die tatsächliche Zeit zwischen den Impulsen 87, wenn sie einzeln in aufeinanderfolgende Fenster fallen. Wenn nur eines von zwei aufeinanderfolgenden Fenstern einen einzigen Impuls enthält, ist die ausgelesene Größe die Zeit von diesem Impuls bis zur Mitte des anderen Fensters. Wenn in keinem zweier aufeinanderfolgender Fenster ein einzelner Impuls auftritt, dann ist die ausgelesene Größe die Zeit zwischen den Mitten der beiden Fenster. Falls zu viele Fenster ohne jeweils einen einzelnen Impuls erscheinen oder falls zu viele Impulse ausserhalb der Fenster auftreten, dann wird die Auslesung vorübergehend angehalten. Die Phase der Fenster wird nur dann auf den neuesten Stand gebracht ₉ wenn Fenster mit Einzelimpulsen erscheinen, und die Periode (Frequenz der Fenster) wird nur dann auf den neuesten Stand gebracht, wenn aufeinanderfolgende Fenster mit Einzelimpulsen erscheinen.

Der in der Phasenverriegelungsschleife herangezogene Algorithmus ist im Flußdiagramm gemäß Figur 9 gezeigt. Die Fensterbreite (Block 100) ist ungefähr (eine genauere Definition wird weiter unten gegeben) gleich der halben

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Durchlaufperiode der Schleife, das heißt der Hälfte des Intervalls von der Mitte eines Fensters bis zur Mitte des nächsten Fensters. Wie im Flußdiagramm gezeigt, beeinfluß das Impulsmuster im augenblicklichen und in dem zuletzt vorangegangenen Fenstern die Werte der "Neuen Periode" (welche am Ende die Frequenzanzeige liefert), der "Mittleren Periode" (die ihrerseits die tatsächliche Fensterfrequenz und auch die Fensterbreite bestimmt), und des "Intervalls zwischen den Fenstern" (welches beim Fehlen einer Nachstellung der Fensterfrequenz die Fensterphase steuert). Insbesondere wenn das augenblickliche Fenster mehrere Impulse oder keinen Impuls enthält, wird weder bei der "Neuen Periode" (Block 102) noch bei der "Mittleren Periode" (Block 104) eine Einstellung vorgenommen, und das "Intervall" bleibt halb so groß wie die "Mittlere Periode" (Block 106). Wenn ein solches Fenster von einem Fenster mit einem einzelnen Impuls gefolgt wird, dann wird die "Neue Periode" gleich der Zeit von der Mitte des ersten Fensters bis zu dem Impuls im zweiten Fenster gemacht (Block 108), die "Mittlere Periode" bleibt unverändert (d.h. keine Frequenznachstellung, Block 110), und das "Intervall" wird so eingestellt, daß es gleich ist 3/4 der "Mittleren Periode" minus derZeit zwischen dem Ende des augenblicklichen Fensters und dem darin befindlichen Impuls (Block 112). Das heißt die Phase der Fenster wird so eingestellt, daß der nächste Impuls 87 innerhalb seines Fensters zentriert wird (falls sich die Impulsfrequenz nicht geändert hat) ohne Jedoch die Fensterfrequenz zu ändern, da die Information im vorangegangenen Fenster unzuverlässig war und eine falsche Frequenzeinstellung aufgrund dieser unzuverlässigen Information einen von Fenster zu Fenster anwachsenden Fehler verursachen würde. Wenn schließlich zwei aufeinanderfolgende Fenster Jeweils einen einzelnen Impuls enthalten, dann wird die "Neue Periode" gleich der Zeit zwischen den aufeinanderfolgenden Impulsen 87 eingestellt (Block 114),

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die "Mittlere Periode" wird halb so groß wie die Summe der nachjustierten "Neuen Periode" und der alten "Mittleren Periode" gemacht (Block 116, wodurch eine Frequenzeinstellung erfolgt, obwohl nur so weit,wie es zur Begründung der Hälfte irgendeiner Änderung des Intervalls zwischen den Impulsen 87 ausreicht, um Überkompensation zu vermeiden), und das "Intervall" wird auf 3/4 der neuen "Mittleren Periode" minus der Zeit zwischen dem Ende des augenblicklichen Fensters und dem darin befindlichen Impuls eingestellt (d.h. die Phase wird ebenfalls eingestellt, Block 118). Es sei erwähnt, daß der ausgelesene ¥_ert stets die "Neue Periode" ist, die nicht direkt von den gerade beschriebenen Frequenz- und Phaseneinstellungen beeinflußt wird.

Wegen Ihrer digitalen Natur und der Verwendung von Zählern mit hoher Auflösung kann die Phasenverriegelungsschleife über einen breiten Frequenzbereich (z.B. 60 bis 240 Impulse je Minute) tätig sein, und können die Einstellung und die Ausleseentscheidungen bis zum Ende eines jeden Fensters aufgeschoben werden. :

Ein Zähler folgt dem Verhältnis zwischen Impulsen 87, die ausserhalb der Fenster erscheinen und solchen Impulsen, die einzeln innerhalb der Fenster auftreten. Der Zählerstand wird für jeden ausserhalb auftretenden Impuls um 1 vermehrt (Block 117) und für jeden innerhalb eines Fensters einzeln auftretenden Impuls um 1/2 vermindert (Block 119). Mehrere innerhalb eines Fensters auftretende Impulse werden vom Zähler ignoriert. Wenn der Zähler einen Stand von 5 erreicht, dann wird die Auslesung der "Neuen Periode" angehalten (Block 120). Wenn der Zählerstand wieder auf einen Wert unter 5 zurückkehrt, dann wird die Auslesung wieder aufgenommen (Block 122). Sollte der Zählerstand 8 oder mehr erreichen, dann wird die Auslesung angehalten (Block 120), der Zähler wird auf 0 gestellt, und ein

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Wiederanlaufprogramm wird begonnen (Block 124).

Im Wiederanlaufprogramm wird willkürlich angenommen, daß der Impuls 87, der den Stand des Zählers auf 8 gebracht hat, einem wirklichen fötalen Impuls entsprach, und die Zeit bis zum nächsten Impuls 87 wird gemessen. (Block 126) Sollte dieser nächste Impuls in kürzerer Zeit als 250 Millisekunden erscheinen, dann wird er ignoriert (Block 128), weil er eine unwahrscheinliche fötale Herzfrequenz von mehr als 240 Schlägen je Minute bedeuten würde. Wenn andererseits der nächste Impuls nicht innerhalb 800 Millisekunden erscheint, wird der Zähler auf 0 gestellt, und bei Erscheinen des nächsten Impulses 87 wird das Wiederanlaufprogramm erneut begonnen (Block 130). Hier wiederum wird ein Wiederanlauf mit einer unwahrscheinlichen (hier zu niedrigen) Frequenz verhindert. (Das Fehlen eines Impulses über die Zeit von 800 Millisekunden entspricht zwar 75 Schlagen pro Minute und nicht der unteren Grenze von 60 Schlägen pro Minute, mit denen ein Gleichlauf erwünscht ist. Würde man Jedoch einen Wiederanlauf bei weniger als 75 Schlägen Je Minute gestatten,dann würde das Risiko des Wiederanlaufens bei der Hälfte der wirklichen Frequenz in dem Falle wesentlich vergrößert werden, daß die mütterlichen Herzschläge alle anderen fötalen Herzschläge für eine bestimmte Zeit überdecken. Wenn dennoch ein Wiederanlauf bei der halben v/irklichen Frequenz stattfinden würde, dann stellt das Verfahren, die Impulse innerhalb der Fenster mit nur dem halben Gewicht wie die Impulse ausserhalb der Fenster zu zählen, einen eventuellen Wiederbeginn des Wiederanlaufprogramms sicher.) Sollte schließlich, was immer noch den Block 126 betrifft, ein zweiter Impuls innerhalb der Zeit von 250 bis 800 Millisekunden erscheinen, dann werden die "Neue Periode" und die "Mittlere Periode" gleich der gemessenen Zeit zwischen den beiden Impulsen (Blöcke und 134) gemacht, und der Zähler wird willkürlich auf 6 gestellt (Block 136). Wenn dann der Zählerstand auf 4 abnimmt,

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wird die Auslesung wieder aufgenommen. Falls der Zählerstand auf 8 zurückkehrt, wird wieder mit dem Wiederanlaufprogramm begonnen.

Der beschriebene Algorithmus schafft ein ausgezeichnetes Gleichgewicht zwischen der Vermeidung einer Auslesung falscher Informationen und der Verminderung von Ausfällen bei der Auslesung, während derer richtige Informationen verlorengehen.

Figur 10 veranschaulicht in einer Blockdarstellung die Realisierung der Phasenverriegelungsschleife und der zugehörigen Ausleseeinrichtungen. Der genaue Schaltungsaufbau geht aus den Figuren 11a - d, 12, 13 hervor. Die vom Schieberegister 90 kommenden Signale laufen in die Meßschaltung 150 für die "NeuePeriode" (Figur 11b), die aus zwei 4-Bit-Zählern 152, 154 mit paralleler Eingabe und einem JK-Flipflop 156 zur Löschung der Zähler besteht. Die "Neue Periode" - Information läuft zu 4-Bit-Volladdierern 158, 160 im Generator 162 für das "Zwischenfensterintervall" (Figuren 11b, 11c), dfe ausserdem die im Block 164 (Figur 11b) erzeugten "Mittlere Periode"-Daten empfangen, Die von den Volladdierern kommenden Signale laufen in die parallelen Eingänge von 4-Bit-Zählern 166, 168, welche die Daten des "Zwischenfensterintervalls" erzeugen« Die Zähler 166 und 168 laufen aus dem voreingestellten Stand auf die Summe von 1/4 der "mittleren Periode" plus dem bis hierher aufgelaufenen Wert der "Neue Periode·"Zähler 152 und 154 und nehmen bei jedem Takt um 1 zu (der letztgenannte Bestandteil der besagten Summe ist die Zeit zwischen dem gerade vorangegangenen Impuls und dem Ende des zu ihm gehörenden Fensters). Zwei 4-Bit-Binärvergleicher 170, 172 sprechen an, wenn der Stand der Zähler 166 und 168 gleich ist dem gespeicherten Wert für die "Mittlere Periode",und

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signalisieren das Ende des "Zwischenfensterintervalls". Dieses Signal läuft dann zum Fenstergenerator 174 (Figur 11c) der mit der Bildung des Fensters beginnt und mit 4-Bit-Zählern 176 und 178 die Fensterbreite auf die Hälfte der "Mittleren Periode" regelt. Die Zähler 176 und 178 werden SaAt dem hai* ben Wert der letzten "Mittleren Periode" gefüllt und nehmen während Jedes Takts um 1 ab. Beim Nulletand ist die richtige Breite des Fensters vorhanden.

Eine Wiederanlauf-Zählschaltung 180 (Figur 11a) enthält einen vorwärts und rückwärts zählenden 4-Bit-Zähler 182 mit parallelen Eingängen und ein JK-Flipflop 184,das ein über ^das andere Eingangssignal eine 1 zum RückwäiHiszählen erzeugt, um den oben beschriebenen Gewichtsfaktor zu liefern.

Der Wert der "Neuen Periode" wird in den 4-Bit-Registern 190 und 192 im Block 194 (Figur 11d) gespeichert und läuft zu einem Digital-Analog-Umsetzer 196 (Figur 11d) zur Umsetzung in eine Analogspannung. Diese Spannung, die ein Maß für die Periode ist, gelangt zu einer analogen Speicherschaltung 198, die einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor 200 und einen Funktionsverstärker 202 mit hoher Eingangsimpedanz sowie eine logische Schaltung enthält, welche die Auslesung sperrt, wenn der Zähler 182 auf 5 oder höher steht. Von der Speicherschaltung aus läuft das Signal zu einer analogen Dividianschaltung 204, wo es in eine Erequenzinformation umgesetzt wird, indem ein dem Reziprokwert des Periodensignals proportionales Analogsignal erzeugt wird. Der Ausgang der Dividierschaltung wird im Verstärker 206 verstärkt und erfährt zudem eine Gleichspannungsverschiebung, um den Pegel wieder in richtigen Bezug zur Basislinie zu bringen. Anschließend wird das Signal einem Voltmeter mit digitaler Anzeige 208 und einem

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Streifenblattschreiber 210 zugeführt.

Der Verstärkungsfaktor zwischen dem Eingang zur Speicherschaltung 198 und dem Ausgang der Dividier schaltung 204 wird so eingestellt, daß Jeweils 10 Millivolt am Ausgang einer Frequenz von einem Herzschlag Je. Minute entsprechen. Somit zeigt ein digitales Voltmeter, welches für 1 Volt eine Anzeige von 100 liefert, die exakte Herzfrequenz in Schlagen pro Minute an. In ähnlicher Weise ist der Streifenblattschreiber zur direkten Anzeige der Frequenz eingestellt. Somit können handelsübliche Anzeigegeräte (off the shelf devices) verwendet werden.

Figur 12 zeigt einen 2 KHz-Oszillator 220, der eine Taktsignalquelle für die Digitalschaltung darstellt. Das Signal wird inoeinem 4-Bit-Zähler 222 in eine 256-Hz-Rechteckwelle T heruntergeteilt gemeinsam mit den schnelleren Versionen T¹ und T". ■

Figur 13 zeigt einen 1ttz-Oszillator 224, der einen Taktim-, puls zur Steuerung der Auslesefrequenz erzeugt.

Die in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung verwendeten wichtigsten Teile sind folgendes

1. Fairchild MA739C doppelter rauscharmer Funktionsverstärker für die Verstärker 12 und 13,

2. Teledyne Philbrick 1319 für die Bandpässe 28 und 30,

3. Die Oszillatoren 29 und 30s Signetics NE566s,

Signetics

4. Die analogen Phasenverriegelungsschleifen 33 und 35sNE565,

5. Alle anderen Funktionsverstärker in der Analogschaltungί Fairchild MA741,

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6. Alle Analogkomparatoren: National Semiconductor IJ4311,

7. Alle Univibratoren: Fairchild 9601,

8. FET 200.: Motorola 2N4220,

9. Ausgangstransistoren der Vorverstärker-Versorgung: Texas Instruments 2N3704; alß anderen Transistoren: Fairchild 2N4275,

10. Angepaßte Diodenpaare: Fairchild FA2000; alle anderen

Dioden: Motorola 1N914,

11. Analoge Dividierschaltung 204/ Teledyne Philbrick 4452

12. D/A-Umsetzer 186: Analog Devices MDA8H,

13. Als Logikbausteine sind von Texas Instruments:

SN 7400 vierfaches NAND-Glied mit 2 Eingängen SN 7402 vierfaches NOR-Glied mit 2 Eingängen SN 7408 vierfaches UND-Glied mit 2 Eingängen SN 7404 Inverter mit 6 Eingängen
SN 7410 NAND-Glied mit 3 Eingängen SN 74107 JK-Flipflop .; ../.../.._ SN 7483 4-Bit-Volladdierer
SN 7485 4-Bit-Komparator

SN 74193 4-Bit-Zähler (vor- und rückwärts) mit Parallelzuführung

SN 7498 4-Bit-Register mit doppelter Parallelzuführung SN 74164 8-Bit-Serien-Schieberegister

Es liegen auch andere Ausführungsformen im Bereich der mit den nachstehenden Ansprüchen umrissenen Erfindung. So kann die Erfindung die Aufnahme sowohl fötaler als auch mütterlicher Signale mit denselben am Unterleib angeordneten Elektroden umfassen. Auch liegt die Überwachung der fötalen Herzfrequenz mittels Schädelelektroden unter

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Verwendung einer einzelnen Filterkette für den fötalen QRS-Kömplex im Rahmen der Erfindung. Auch kann die Erfindung bei jedem EKG-Signal zur Erfassung der T-Zacken durch Eliminierung der QRS-Zacken oder selbst zur Erfassung der P-Zacken dienen, indem man die QRS- und die T-Zacken nacheinander entfernt und somit drei Filterketten verwendet. Dies ist zum Beispiel besonders nützlich für die Synchronisierung von Röntgenaufnahmen in der Diastole bzw. der Systole. Die Erfindung ist auch anwendbar für die Überwachung anderer Arten von physiologischen Vorgängen. Schließlich ist auch im Rahmen der Erfindung das "Entfernen" der mütterlichen Signale auf andere als die gezeigte Weise möglich, z. B. durch Verfolgen der mütterlichen Signale und Verhinderung jeder Reaktion darauf durch den Spitzendetektor und den Komparator . Es sind auch andere hier nicht aufgezählte Ausführungsformen der Erfindung möglich.

Schließlich, sei noch erwähnt," daß alle hier und in den Ansprügemachten Angaben über das 60 Hz-Bausclien gegebenenfalls in analoger Weise für das 5O-Hz-Rausoben gelten.

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Claims

Patentansprüche

1.)Einrichtung zur Erfassung einer schwachen Komponente in physiologischen Signalen, die in komplexer Form starke und schwache Komponenten enthalten, wobei in einem Signalverarbeitungskanal ein Signalzug erzeugt wird, der repräsentativ für das Vorkommen einer starken Komponente und der besagten schwachen Komponente ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalverarbeitungskanal eine Schaltung zur Erzeugung von Anzeigesignalen für das Auftreten der starken Komponente, eine auf diese Anzeigesignale ansprechende Schaltung zur Entfernung wenigstens größerer Teile der der starken Komponente zuzuordnenden Signale aus dem Signalzug, und eine diesen Schaltungen im Signalverarbeitungskanal nachfolgende Schaltung enthält, welche Anzeigesignale für das Auftreten der schwachen Komponente erzeugt, und daß diese letztgenannte Schaltung eine Anordnung enthält-,welche fehlende das Auftreten der schwachen Komponende anzeigende Signale ersetzt, indem deren Zeitpunkt auf der Grundlage des vergangenen Auftretens der schwachen Komponente geschätzt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Signalverarbeitungskanal einen für das Auftreten der starken Komponente repräsenativen Signalzug liefert, und daß ein zweiter Signalverarbeitungskanal den für das Auftreten der starken und schwachen Komponenten repräsentativen Signalzug liefert, und daß die Signale im ersten Kanal in taktmässiger Beziehung

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zu denjenigen Signalen im zweiten Kanal -stehen, die für das Vorkommen der starken Komponente repräsentativ sind, und daß sich die Schaltung zur Erzeugung von Anzeigesignalen im ersten Kanal befindet.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Erzeugung von Anzeigesignalen für das Auftreten der schwachen Komponente eine Einrichtung enthält, welche auf der Grundlage des vergangenen Auftretens der schwachen Komponente die Wahrscheinlichkeit abschätzt, mit der ein gegebenes Signal ein solches Auftreten bedeutet, und welche die Erzeugung eines das Auftreten der schwachen Komponente anzeigenden Signals dann verhindert, wenn diese Wahrscheinlichkeit unterhalb eines bestimmten Werts liegt.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Überwachung der fötalen Herzfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß die starke Komponente den Herzschlag der Mutter und die schwache Komponente den Herzschlag des Fötus darstellt, und daß manches Auftreten der starken Komponente auch einen fötalen Herzschlag bedeutet, der mit dem mütterlichen Herzschlag zeitlich zusammenfällt.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf den besagten durch Entfernen der starken Komponente modifizierten Signalzug ansprechende Phasenverriegelungsschleife die das Auftreten der schwachen komponente anzeigenden Signale erzeugt, und daß die Phasenverriegelungsschleife eine Einrichtung enthält, welche die Folgefrequenz dieses Auftretens während derjenigen Lücken im modifizierten Signaling schätzt ₉ die durch das Entfernen der für die mit

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Komponenten zusammenfallenden stärkeren Komponenten repräsentativen Signale entstanden sind, wobei diese Schätzung anhand der Abstände zwischen den Signalen in dem modifizierten Signalzug erfolgt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5 zur Überwachung der fötalen Herzfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverriegelung sschleife eine digital arbeitende Anordnung ist und sich wiederholende Zeitfenster erzeugt, die so bemessen und beabstandet sind, daß jedes von ihnen ein Signal überlappt, welches aufgrund der Statistik vergangener Abstände zwischen den schwachen Komponenten ungeachtet einer Änderung unterhalb vorgegebener Grenzen einer schwachen Komponente zugeordnet werden kann, und daß eine Korrektureinrichtung vorgesehen ist, welche die Position solcher aufeinanderfolgender Signale innerhalb der jeweiligen Zeitfenster erfaßt und den zukünftigen Zeitfensterabstand auf der Grundlage dieser Position ändert.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Zähler und eine Anordnung, die den Zählerstand beim Auftreten von Signalen ausserhalb eines Zeitfensters erhöht und beim Auftreten von Signalen innerhalb eines Zeitfensters vermindert, wobei das Gewicht der Zählung bei ausserhalb eines Zeitfensters auftretenden Signalen stärker bemessen ist, und eine Anordnung zur Rückstellung der Phasenverriegelungsschleife für den Fall, daß der Zählerstand einen vorgegebenen Wert überschreitet.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung zur automatischen Bildung eines Schwellenwerts, der dem Betrag

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derjenigen Signale folgt, die der starken Komponente nicht zuzuordnen sind, vorgesehen ist, die nur dann ein das Auftreten der schwachen Komponente signalisierendes Ausgangssignal liefert, wenn sie ein Signal empfängt, welches der starken Komponente nicht zuzuordnen ist und dessen Betrag ein vorbestimmtes Verhältnis zu dem zuvor verfolgten Signalbetrag hat.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Überwachung der Frequenz fötaler Herzschläge, gekennzeichnet durch mehrere Elektroden zum Anlegen am Körper der Mutter an verschiedenen Stellen, wo Signale des mütterlichen und fötalen QRS-Komplexes am besten abnehmbar sind, und getrennte Vorverstärkerstufen zum Empfang und zur Verstärkung dieser mütterlichen und fötalen Signale.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen die von den Elektroden kommenden Signale empfangenden Vorverstärker, der eine elektric sehe Impedanz in der Größenordnung von 10_0hm hat.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein Filter für die verstärkten Signale, dessen Gütefaktor unter 10 liegt und welches ein Ausgangssignal liefert, in dem mindestens 25 % der'Signalenergie, mit Ausnahme des 60 Hz-Rauschens, im Frequenzbereich von 50 bis 100 Hz liegen, und ein Kerbfilter zur Unterdrückung des 60 Hz-Rauschens.

12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine logische Schaltung zur Erzeugung von AusleseSignalen, welche die Entscheidung für jedes Auslesesignal teilweise aufgrund einer statistischen Vorhersage trifft, die von dem Muster der in den vergangenen Perioden von ihr empfangenen Signale abgeleitet

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wird; einen Zähler, der auf das Maß der Abweichung zwischen dem Zeitpunkt des Signalempfangs durch die logische Schaltung unddem vorhergesagten Zeitpunkt anspricht und vorwärts zählt, wenn diese Abweichung größer als ein vorgegebener Wert ist, und rückwärts zählt, wenn diese Abweichung kleiner als ein vorgegebener Wert ist; eine Abschaltevorrichtung für die Auslesung, die eine Auslesung verhindert, wenn der Zähler einen ersten Zählerstand überschreitet; und eine Wiederanlaufvorrichtung, welche die Ableitung der Vorhersage wieder beginnen läßt, wenn der Zähler einen zweiten, höheren, Zählerstand erreicht.

13. Signalverarbeitungsanlage zur Ermittlung des Auftretens oder der Folgefrequenz im Auftreten von allgemein periodischen physiologischen Ereignissen wie fötalen Herzschlägen, deren zeitliches Erscheinen sich ändern kann, durch Auswerten eines Signalgemischs, welches diese Ereignisse widerspiegelnde Ereignissignale enthält, gekennzeichnet durch eine Zeitfensterschaltung,welche ständig abhängig von vorangegangenen Ermittlungen periodisch wiederkehrende Zeitfenster erzeugt, deren Abstand auf der Grundlage einer sich auf die vorangegangenen Ermittlungen stützenden Vorhersage so eingestellt wird, daß Jedes von ihnen sich mit einem zu erwartenden Ereignissignal deckt, und deren Zeitdauer länger als dieses Ereignissignal ist, um Schwankungen in dessen zeitlichem Auftreten Rechnung zu tragen; und eine Ausgangsschaltung zur Ermittlung des Auftretens oder der Folgefrequenz im Auftreten auf der'Grundlage der innerhalb der Zeitfenster erscheinenden Signale unter Nichtbeachtung von ähnlich beschaffenen Signalen, die ausserhalb dieser Zeitfenster erscheinen.

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14. Signalverarbeitungsanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitfensterschaltung abhängig von Änderungen des zeitlichen Auftretens der erfaßten Signale innerhalb der Zeitfenster die Periode der nachfolgenden Zeitfenster ändert.

15. Signalverarbeitungsanlage nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die.Ausgangsschaltung dazu ausgelegt ist, für eine begrenzte Anzahl von Auftritten eines kein Signal enthaltenden Zeitfensters ein Ausgangssignal so zu erzeugen, als ob ein Signal wie vorausgesagt in diesem Zeitfenster erscheinen würde.

16. Signalverarbeitungsanlage nach Anspruch 13, 14 oder"15, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, welche die ausserhalb der Zeitfenster vorkommenden Signale erfaßt und nach einer vorbestimmten Anzahl solcher erfaßter Signale den Abstand der Zeitfenster gemäß diesen Signalen neu fest- · legt.

17. Signalverarbeitungsanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltung das Auftreten oder die Folgefrequenz im Auftreten von Ereignissen nur aufgrund innerhalb der Zeitfenster einzeln erscheinenden Signale ermittelt und das Erscheinen von mehreren solcher Signale in einem Fenster ignoriert.

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