DE2265229C2

DE2265229C2 - Schaltungsanordnung zur Überwachung einer schwachen EKG-Signalkomponente, wie fetaler Herzsignale

Info

Publication number: DE2265229C2
Application number: DE2265229A
Authority: DE
Inventors: Paul Brookline Mass. Epstein; Joseph Mark van Cambridge Mass. Horn; Patrick Gregory Framingham Mass. Phillipps
Original assignee: BRATTLE INSTRUMENT CORP CAMBRIDGE MASS US; Brattle Instrument Corp Cambridge Mass
Current assignee: Wyeth LLC
Priority date: 1971-12-30
Filing date: 1972-12-22
Publication date: 1984-03-29
Also published as: GB1410940A; DE2263180C2; US3811428A; DE2265229A1; DE2263180A1; FR2166971A5; JPS572331B2; JPS4878793A; CA993522A; IT976241B; GB1410939A

Description

a) ein Bandfilter (30,32), das eine Güte, die kleiner als lft .st, und eine Mittenfrequenz zwischen 25 und 40 Hz hat und so bemessen ist, daß mindestens 25% der Signalenergie, mit Ausnahme netzfrequenter Störsignale, im Bereich von 50 bis 100 Hz liegt, und außerdem

b) eine automatische Schwellenwertschaltung (76, 78) enthält, der das durch das Bandfilter (30,32) gefilterte Signalgemisch zur Unterdrückung von Signalanteilen, die unterhalb eines Schwellenwertes liegen, zugeführt ist und bei der sich der Schwellenwert selbsttätig in Abhängigkeit von der· Amplitude der gefilterten schwachen Signalkomponente einstellt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwe«enwert der automatischen Schwellenwertschaltung (76, 78) von der Amplitude des Signals während einer unmittelbar vorangehenden Signalperiode festgelegt ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die automatische Schwellenwertschaltung einen Speicher (76), der den Spitzenwert des zugeführten Signales mit allmählichem zeitlichen Abfall speichert, sowie eine an den Speicher angeschlossene Vergleichsschaltung (78) enthält, welche ein Ausgangssignal liefert, wenn das zugeführte Signal größer als ein vorgegebener Prozentsatz des im Speicher enthaltenen Signales ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Prozentsatz zwischen 70% und 90% liegt.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der automatischen Schwellenwertschaltung (76, 78) ein Schieberegister (90) nachgeschaltet ist, welches durch ein von der starken Signalkomponente abgeleitetes Signal rückstellbar ist.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ist insbesondere geeignet für die Messung der fetalen Herzfrequenz.

Es ist bekannt, daß aus der Änderung der fetalen Herzfrequenz während der Wehen Information über das Befinden des Feten gewonnen werden kann. Die Messung der fetalen Herzfrequenz durch Messung der Herztöne oder des EKG des Feten ist jedoch schwierig, da die schwachen fetalen Signale von den sehr viel stärkeren mütterlichen Signalen und anderen Störungen, z. B. Unterleibsgeräuschen, überlagert sind.

Aus der AT-PS 2 58 462 ist eine Einrichtung zur Überwachung der fetalen Herzaktion bekannt, der zwei Signalkanäle enthält Dem Eingang des ersten Signalkanales wird ein von der Bauchdecke der Mutter abgeleitetes Signalgemisch zugeführt, welches sowohl fetale als auch mütterliche Herzaktionsspannungen enthält Dem Eingang des zweiten Signalkanales wird ein ausschließlich von der mütterlichen Herzaktion herrührendes Signal zugeführt Aus dem Signal im irweiten Signalkanal wird eine ausschließlich von der mütterlichen Herzaktion herrührende Spannung erzeugt mit Hilfe derer die mütterlichen R-Zacken aus dem Signalgemisch im ersten Signalkanal ausgetastet werden. Außerdem enthält diese Schaltungsanordnung Kerbfilter in den beiden Signalkanälen zum Entfernen netzfrequenter Störsignale.

Aus der Druckschrift IEEE Transactions on Bio-Medical Engineering VOL BME-13, Nr. 4, Oktober 1966, S. 175 bis 182 ist eine Schaltungsanordnung zur Überwachung fetaler Herzaktionssignale bekannt bei dem die fetalen R-Zacken der EKG-Signale durch ein Bandfilter mit ein-itn Durchlaßbereich von 15 bis 40 Herz gegenüber den mütterlichen R-Zacken angehoben werden.
Aus der US-PS 35 90 811 ist ein EKG-Verstärker mit einer automatischen Schwellenwertschaltung bekannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe

zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Überwachung einer schwachen EKG-Signalkomponente, wie fetaler Herzsignale, die in einem außerdem noch eine starke EKG-Signalkomponente und Netzstörungen enthaltenden Signalgemisch enthalten ist, anzugeben, welche schwache Signalkomponente zuverlässiger zu Erfassen vermag als die bekannten Schaltungianordnungen.
Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Kombination der kennzeichnenden Lehren des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ermöglicht die Echtzeit-Überwachung der fetalen Herzfrequenz sowfe auch eine entsprechende Überwachung anderer relativ schwacher Komponenten komplexer biologischer Signale, wie z. B. der T- und P-Zacken im EKG auf genauere und zuverlässigere Weise als bisher. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung enthaltende Einrichtung ist relativ preiswert und leicht zu bedienen. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist in einem großen Frequenzbereich funktionsfähig. Sie stellt einen ausgezeichneten Kompromiß bezüglich der Erfüllung der konträren Forderungen dar, einerseits möglichst wenig falsche Information zu erfassen und andererseits möglichst wenig richtige Information verlorengehen zu lassen. Die vorliegende Schaltungsanordnung zeichnet sich schließlich auch durch eine schnelle Erholung nach durch Rauschen verursachten Ausfällen aus.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild der analogen signalverarbeitenden Schaltung.

Fig.2a, b ergeben zusammen einen Teil ein der F i g. 1 entsprechendes Schaltbild.

Fig.3 bis 8 zeigen als Spannungs/Zeit-Kurven den Signalverlauf an verschiedenen Stellen der in den F i g. 1, 2a und 2b gezeigten Schaltung.

F i g. 9 zeigt teilweise in Blockform das Schaltbild der Einrichtung zur Herstellung der variablen unter Grenze im Spitzendetektor für die fötalen Signale.

Die in Fi^. 1 dargestellten Elektroden 10 und 11 werden am Patienten angebracht, um die QRS-Signale der Mutter und des Feten aufzunehmen und sie über höcnst rauscharme Verstärker 12 und 13 (Verstärkungsfaktor 30) Patienten-Trennverstärkern 16 und 18 zuzuführen. Die Elektrode 11 wird auf den Unterleib gelegt, wo man das beste fetale 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 angelegt

Die Verstärker 12 und 13 haben eine niedrige Impedanz in. der Größenordnung von 10^s Ohm. Wie in dem Detailschaltbild der F i g. 2a—b gezei&i ist, sind die Eingänge dieser Verstärker mit jeweils einem 100 ΚΩ-Widerstand und einem 0,01 μΡ-Kondensator gegen die Bezugselektrode geschaltet Es wurde herausgefunden, daß eine solche niedrige Impedanz einen verbesserten Rauschabstand liefert, der den Nachteil der entsprechenden Verminderung des gesamten Signalpegels aufwiegt Die Patienten-Trennverstärker 16 und 18 enthalten jeweils einen mit dem übrigen System und der Energieversorgung der Verstärker gekoppelten Transformator und bilden eine sehr hohe Impedanz (in der Größenordnung von 10^I2Ohm) zwischen den Elektroden und Masse, so daß der Patient vor Stromschlägen geschützt ist

Das verstärkte mütterliche Signal durchläuft ein aktives Bandpaßfilter 28 niedriger Güte (Q-V/e-t 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 QRS-Zacken. Das verstärkte fetale Signal gelangt durch ein kaskadengeschaltstes 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 fetalen QRS-Zacken, wobei sich diese Energie etwa über den Bereich von 5 Hz bis 100 Hz erstreckt. (Gemäß dem Detailschaltbild nach F > g. 2 sind die Filter 28 und 30 mit den Patienten-Trennverstärkern 16 und 18 vereinigt, deren erster einen Verstärkungsfaktor von 20 und deren zweiter einen Verstärkungsfaktor von 40 bei einem Gütefaktor von Q = 1 aufweist.) Diese Filter niedriger Güte zeigen ein ausgezeichnetes Einschwingverha'ten (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 dies Bandfilters 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 fetalen Signale liegt. Durch die hiermit effektiv erhöhte Ausnutzung der fetaler. Signalenergie (das begleitende 60 Hz-Rauschen wird später gesondert behandelt) wird der Rauschabstand endgültig verbessert.

Die von den Bandfiltern 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 Eingangssignale erzeugen. Die Ausgangssignale der Oszillatoren Iaufen über Trenntransformatoren, die mit Demodulations- und Analogschaltungen gekoppelt sind. Diese Schaltungen enthalten analoge Phasenverriegelungsschleifen 33 und 35 und

ίο verwandeln die Signale zurück in eine Schwingungsform, welche der den spannungsgesteuerten Oszillatoren zugeführten Signalform entspricht

Nach weiterer Verstärkung der mütterlichen Signale im Verstärker 34 durchlaufen die mütterlichen und

υ fetalen 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 F i g. 3 zeigt die mütterlichen und fetalen Signalverläufe 44 und 46 (der Signalverlauf 46 enthält nr.iirlich noch sowohl mütterliche als auch fetale Signak) an den Gieichrichtereingängen, und 48 und 50 an den Gleichrichterausgängen. Wegen der Gleichrichter entfällt die Notwendigkeit auf unterschiedliche Signalpolarität

Rücklicht zu nehmen. Zunächst sei das mütterliche Signal betrachtet Das Ausgangssignal des Gleichrichters 40 wird sowohl dem Spitzendetektor 52 als auch dem Komparator 54 zugeführt Der Spitzendetektor speichert zunächst den Wert der Spüze.namplitude des

jo ihm zunächst 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 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 spricht immer dann an, 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 mütterlichen Signalzug, wobei eine Entscheidung über das Vorhandensein oder das Fehlen einer mütterlichen QRS-WeIIe 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

so Grenze eingestellt-so daß ein vorübergehender starker Störsignalimpuls den gespeicherten Wert nicht *uf einen irreführend hohen Pegel bringen kann.

D*!S Ausgangssignal des Kcmparators 54 dient zum Anstoßen eines Univibrators (monostabiler Multivibrator) 56, dessen Impulsbreite oder Rückkippaeit so groß ist wie das breiteste zu erwartende mütterliche QRS-Signal (z. B. 140 Millisekunden).

F i g. 4 zeigt das Ausgangssignal 57 des Spitzendetektors 52, das Ausgangssignal 58 des !Comparators 54 und das Ausgangssignal 59 des Univibrators 56,

Was das fetale Signal betrifft, wird das Auägangssignal des Gleichrichters 42 einem Filter 60 zugeführt, welches einen sich bewegenden Mittelwert des Signals bildet und das Verhältnis zwischen den Stärken der fetalen 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 ist so gewählt, daß sie der zu erwartenden Dauer der fetalen QRS-Wellen angepaßt ist. F i g. 5 zeigt das Ausgangssignal 62 des Filters 60, der fetale Impulse 64 und mütterliche Impulse 66 enthält, wobei die letzteren die ersteren überdecken, wenn die Herzschläge des Feten und der Mutter zusammenfallen.

Die Ausgangssignale des 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 Filters 60 ausblendet. Das Ergebnis ist in Fig.6 dargestellt, wo die Nadelimpulse 72 die Vorderflanken der unterdrückten mütterlichen Impulse sind.

Das resultierende Signal gelangt über einen Verstärker 74 sowohl zu einem Speicher 76 als auch zu einer Vergleichsschaltung 78, die beide, (ebenso wie der Spitzendetektor 52 und der Komparator 54 für die mütterlichen Impulse) zur Erfassung der fetalen Impulse 64 unter automatischer Schwellenwertbildung dienen. Die Ladezeitkonstante des Spitzendetektors ist mit etwa 3 bis 4 Millisekunden so gewählt, daß die von den mütterlichen Signalen herrührenden Nadelimpulse 72 keine Rückstellung bewirken. Der Speicher wird mit einer oberen und unteren Grenze ausgestattet, wobei die untere Grenze zur Unterdrückung von niederpegeligem Rauschen vorgesehen ist, welches einen fetalen Impuls verfälschen könnte. Obwohl durch die untere Grenze in seltenen Fällen sehr schwache fetale Impulse ausgeblendet werden können, ist die Anordnung vorzugsweise so aufgebaut, daß eine direkte Darstellung der Ausgangssignale des Bandfilters 32 eingeschaltet werden kann, was an dieser Stelle jedoch nicht im einzelnen beschrieben wird. Die untere Grenze kann J5 zwar fest eingestellt sein, jedoch wird eine größere Genauigkeit (angesichts von Änderungen des allgemeinen Rauschens oder der fetalen Signalpegel) erzielt, wenn der Grenzwert in Übereinstimmung mit einem Signalmittelwert geändert wird, den der Speicher ■»<> während einer unmittelbar vorangegangenen Periode,

z. B. während der letzten 10 Sekunden, erreicht hat. In F i g. 9 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 Speichers und der Vergleichsschaltung sind in F i g. 7 gezeigt. Die Impulse 84 entsprechen den fetalen Zacken und die Nadelimpulse 86 der. Vorflanken der mütterlichen Zacken.

Das Ausgangssignal 82 der Vergleichsschaltung 78 durchläuft dann ein Schieberegister 90 (F i g. 1), welches eine Verzögerung von 32 Millisekunden bewirkt. Der Univibrator 56 stellts jedesmal, wenn er erregt wird, das Schieberegister 90 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 fetalen Impulse. Das Ausgangssignal 85 des Schieberegisters ist in F i g. 8 dargestellt. Das Register wird so gesteuert, daß es gleichzeitig mit der abfallenden Flanke eines jeden Impulses 84 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 Vorderflanken.

Die "«orliegende Schaltung kann auch zur Aufnahme sowohl fetaler als auch mütterlicher Signale mit denselben am Unterleib angeordneten Elektroden dienen. 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.

Schließlich sei noch erwähnt, daß alle Angaben betreffend das 60-Hz-Rauschen gegebenenfalls in analoger Weise für das 50-Hz-Rauschen gelten.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Überwachung einer schwachen EKG-Signalkomponente, wie fetaler Herzsignale, mit zwei Signalkanälen, von denen der erste ein die schwache Signalkomponente und eine starke EKG-Signalkomponente, wie mütterliche Herzsignale, enthaltendes physiologisches Signalgemisch führt und der zweite nur die starke Signalkomponente führt, KerbFiltern zum Entfernen der netzfrequenten Störsignale und mit einer Anordnung zum zeitweiligen Sperren der Signalübertragung im ersten Signalkanal durch aus dem zweiten Signalkanal abgeleitete Signale, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Signalkanal in Kombination