DE2944402A1

DE2944402A1 - Analogue measurement of low frequency pulses e.g. heart beats - using digital sensor, frequency multiplier and D=A converter

Info

Publication number: DE2944402A1
Application number: DE19792944402
Authority: DE
Inventors: Antrag Auf Nichtnennung
Original assignee: BETR FORSCH ANGEW ARBEITSWISS
Current assignee: BETR FORSCH ANGEW ARBEITSWISS
Priority date: 1979-10-31
Filing date: 1979-10-31
Publication date: 1981-05-14

Abstract

A method of analogue indication and/or recording of low frequency series of pulses is esp. applicable to heart rate measurement. It involves measuring the interval between two pulse digitally and enables the higher accuracy associated with pulse-to-pulse methods to be achieved with the lower circuit costs associated with integrated methods. The ear frequency measured is first multiplied digitally by several powers of ten and the resulting high frequency pulse signal converted to an analogue signal using a conventional frequency to voltage converter (3). A multiplication factor of 1000 may be used. It may be achieved using a programmable digital frequency divider (1) whose program input is driven directly by the measurement frequency signal.

Description

Verfahren zur analogen Anzeige und/oder Aufzeich-Process for analog display and / or recording

nung von niederfrequenten Impulsfolgen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur analogen Anzeige und/oder Aufzeichnung von niederfrequenten Impuls folgen der im Gattungsteil des Patentanspruches angegebenen Art.tion of low-frequency pulse trains The invention refers to a method for analog display and / or recording of low frequency Impulse follow the type specified in the generic part of the claim.

Solche Verfahren sind ganz allgemein bekannt. Für die Frequenzmessung, bei der die Frage gestellt wird, wie oft ein Impuls einer bestimmten Impulsfolge oder irgendein anderes sich wiederholendes Ereignis in einer vorgegebenen Zeit auftritt, bedient man sich bezüglich der hierfür verwendeten Schaltungstechnik entweder der Integrationsmethode oder der sogenannten Impuls-zu-Impuls-Messung.Such methods are well known. For frequency measurement, where the question is asked how often an impulse of a certain impulse sequence or any other recurring event occurs in a given time, with regard to the circuit technology used for this purpose, either the Integration method or the so-called pulse-to-pulse measurement.

Bei der Integrationsmethode läßt sich wiederum entweder die Meßzeit vorgeben und innerhalb dieser ermitteln, wieviele Ereignisse pro Meßintervall auftreten oder,in Umkehrung dieses Prinzips, eine bestimmte Anzahl von Ereignissen, also Impulsen oder dergleichen, wobei dann die Meßgröße die Zeit ist, die benötigt ist, um diese feste Anzahl zu erreichen. Letztere Methode ist bei digitaler schaltungstechnischer Verarbeitung wesentlich eleganter zu lösen, wenn auch für Impuisfolgen niedriger Frequenz wegen der dann vorliegenden großen Zeitkonstanten mit einer nicht unerheblichen Ungenauigkeit verbunden. Die Integration unter Verwendung von RC-Gliedern und nachgeschalteten Verstärker-Bauelementen wird erst bei hohen Frequenzen, also kleinen Zeitkonstanten, bei geringem schaltungstechnischen Aufwand genau, so daß bei niederfrequenteren Impulsfolgen meist elektronische Schaltungen Anwendung finden, bei denen analog oder digital die Zeit zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Ereignissen gemessen wird. Dieses letztere,für niederfrequente Impuisfolgen exakte Meßverfahren läßt sich jedoch nicht mit dem,die bloße Integration bei höheren Frequenzen benutzenden Schaltungsaufwand realisieren.In the case of the integration method, either the measuring time can again be used and determine within this how many events occur per measurement interval or, in reverse of this principle, a certain number of events, i.e. impulses or the like, in which case the measurand is the time it takes to obtain this reach a fixed number. The latter method is more technical in the case of digital circuitry Processing can be solved much more elegantly, even if lower for impulse sequences frequency because of the large time constants then present with a not inconsiderable inaccuracy associated. Integration using RC elements and downstream amplifier components are only activated at high frequencies, so small time constants, with little circuitry effort, exactly like this that with low-frequency pulse trains mostly electronic circuits are used find, in which analog or digital the time between two immediately consecutive Events is measured. The latter, exact for low-frequency pulse sequences However, the measurement method cannot be used with the mere integration at higher frequencies Realize using circuit complexity.

Hierfür sind vielmehr teilweise sehr aufwendige Logikschaltungen erforderlich, was über den größeren Raumbedarf hinaus auch zu höheren Kosten führt.Rather, this sometimes requires very complex logic circuits, which, in addition to the larger space requirement, also leads to higher costs.

Impulsfrequenzmessungen, bei denen die zu messende Frequenz relativ klein ist, treten bspw. in der Medizin bei der Herzimpuls-Frequenzmessung auf, wo etwa 80 oder 120, maximal 200 Herzschläge pro Minute zu messen sind, die Frequenz also in der Größenordnung von einem Hz liegt.Pulse frequency measurements in which the frequency to be measured is relative is small, occur, for example, in medicine with heart pulse frequency measurement, where The frequency can be measured about 80 or 120, a maximum of 200 heartbeats per minute that is, in the order of magnitude of one Hz.

Die Anzeige der Herzimpuls-Frequenzhöhe erfolgt bekanntlich im allgemeinen mittels eines Analoganzeigeinstruments, was auch für die Aufzeichnung gilt, für die ein Analogschreiber benutzt wird.The display of the heart rate level is generally known by means of an analog display instrument, which also applies to the recording, for which an analog recorder is used.

Die Analoganzeige und/oder Aufzeichnung bedingt, daß die digital gemessenen Herz impulse in analoge Spannung umgewandelt werden, wobei dann der Spannungspegel unmittelbar proportional der jeweils momentanen Impulsfrequenzhöhe ist. Auch für die Herzpulsfrequenzmessung kann man sich der eingangs genannten beiden unterschiedlichen Verfahrensweisen, nämlich des Integrationsverfahrens oder der Puls-zu-Puls-Verarbeitung bedienen. Wie oben be- -reits festgehalten, hat bei der hier gegebenen niedrigen Impulsfolge der Herzpulsfrequenz von etwa ein bis drei Hz das Integrationsverfahren den Nachteil hoher Meßungenauigkeiten infolge der vorhandenen großen Zeitkonstanten und das Puls-zu-Puls-Verfahren den Nachteil eines hohen schaltungstechnischen Aufwandes. Vorteilhaft beim Integrationsverfahren ist demgegenüber der geringere scha#ltungstechnische Aufwand und bei der Puls-zu-Puls-Verarbeitung die genauere Auswertungsrnöglichkeit jeder Einzelmessung.The analog display and / or recording requires that the digitally measured Heart impulses are converted into analog voltage, then the voltage level is directly proportional to the instantaneous pulse frequency level. Also for the heart pulse rate measurement can be compared to the two different ones mentioned at the beginning Procedures, namely the integration method or pulse-to-pulse processing serve. As already stated above, has the low one given here Pulse sequence of the heart pulse rate of about one to three Hz the integration process the disadvantage of high measurement inaccuracies due to the large time constants present and the pulse-to-pulse method has the disadvantage of high circuit complexity. In contrast, the advantage of the integration process is the lower switching technology Effort and, in the case of pulse-to-pulse processing, the more precise evaluation option every single measurement.

Hier setzt die vorliegende Erfindung ein, der die Aufgabe zugrundeliegt, ein Verfahren der im Gattungsteil des Patentanspruches 1 genannten Art ganz allgemein für jede Niederfrequenzmessung, im besonderen aber auch für die Messung der Herzpuls-Frequenzhöhe vorzugeben, das es ermöglicht, bei der Genauigkeit der Puls-zu-Puls-Meßmethode mit einem geringen schaltungstechnischen Aufwand auszukommen, der dem des Integrationsverfahrens entspricht.This is where the present invention comes in, which is based on the object a method of the type mentioned in the preamble of claim 1 in general for every low frequency measurement, but in particular also for measuring the heart rate level to be specified, which makes it possible to use with the accuracy of the pulse-to-pulse measurement method get by with a low level of circuit engineering complexity compared to that of the integration process is equivalent to.

Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale erreicht.This object is achieved according to the invention by means of the characteristics of claim 1 specified features achieved.

Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Aufgabenlösung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous further developments of this task solution result from the subclaims.

Dadurch, daß das niederfrequente digitale Eingangssignal durch eine schaltungstechnisch kostengünstige Frequenzvervielfachung in ein Hochfrequenzsignal überführt wird, läßt sich ein üblicher Impuls-Analogwandler mit hoher Genauigkeit zum Einsatz bringen, da dieser nur die Hochfrequenzsignale zu verarbeiten hat und damit die durch große Zeitkonstanten auftretenden Ungenauigkeiten von vornherein eliminiert sind.The fact that the low-frequency digital input signal through a In terms of circuitry, cost-effective frequency multiplication into a high-frequency signal is transferred, a conventional pulse-to-analog converter can be used with bring high accuracy to use, as this only applies to the high-frequency signals process and thus the inaccuracies caused by large time constants are eliminated from the start.

Auch ist es bei der vorliegenden Verfahrensweise besonders vorteilhaft, daß eine absolute Linearität zwischen Frequenz am Eingang und der analogen Spannung am Ausgang sichergestellt wird. Die analoge Impulsfrequenz kann als Spannungssignal direkt über einen Analogschreiber aufgezeichnet werden oder läßt sich einfach mittels eines Drehspulinstruments anzeigen. Selbstverständlich ist es auch möglich, anstelle der Analoganzeige eine Digitalanzeige mithilfe einer einfachen Digitalvoltmeterschaltung zu realisieren.It is also particularly advantageous in the present procedure that an absolute linearity between the frequency at the input and the analog voltage is ensured at the exit. The analog pulse frequency can be used as a voltage signal can be recorded directly via an analog recorder or can be simply recorded using of a moving coil instrument. Of course, it is also possible instead the analog display is a digital display using a simple digital voltmeter circuit to realize.

Das vorliegende Verfahren soll nachfolgend nur beispielsweise für die Anwendung im medizinischen Bereich als Herztaktanzeige und Überwachung beschrieben werden und zwar für eine vorteilhafte Ausbildungsform einer zugehörigen Schaltung. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltdiagramm einer Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Fig. 2 die Einbeziehung dieser Schaltung in ein Kardiokontroll-Meßgerät, wiederum als Blockschaltbild dargestellt.The present method is only intended for example for the application in the medical field as heart rate display and monitoring is described are for an advantageous embodiment of an associated circuit. 1 shows a block circuit diagram of a circuit for implementing the invention Procedure and FIG. 2 shows the inclusion of this circuit in a cardiac control meter, again shown as a block diagram.

Gemäß Fig. 1 steht das Hertz der Schaltung für die Frequenzvervielfachung des Digitalanalogwandlers, welcher es erlaubt, niedrige Impulsfrequenzen in der Größenordnung von einem Hz, im Ausführungsbeispiel bis ca. 3,5 Hz, digital exakt zu vervielfachen aus einem digital programmierbaren Teiler 1, an dessen einem Eingang die Impulsfolge eines Impulsgeneratos 4 mit der Frequenz von einem MHz anliegt, die gleichzeitig einem 1000:1 Teiler zugeführt wird, dessen Ausgang über die Leitung 6 den Takt T an ein Bauelement 2 anlegt, welches einen Zähler und einen Speicher in sich vereinigt.According to FIG. 1, the Hertz of the circuit stands for the frequency multiplication of the digital to analog converter, which allows low pulse frequencies in the The order of magnitude of one Hz, in the exemplary embodiment up to approx. 3.5 Hz, digitally exact to be multiplied from a digitally programmable divider 1, at one input the pulse train of a pulse generator 4 with a frequency of one MHz is present, which is fed to a 1000: 1 divider at the same time, the output of which is via the line 6 applies the clock T to a component 2, which has a counter and a memory united in itself.

Die Herzpulsfrequenz wird über den Pulseingang P über ein erstes Mono-Flip-Flop 32 dem Setzeingang L des Zähler-Speicher-Bauelementes 2 zugeführt, wobei dessen Ausgang mit dem Eingang eines zweiten Mono-Flip-Flop 33 in Verbindung steht, dessen Ausgang wiederum mit dem Rücksetzeingang R des Zähler-Speicher-Bauelementes 2 verbunden ist. Die parallelen Ausgänge des Zähler- Speicher-Bauelementes 2 (Periodenlänge) liegen an den Programmiereingängen des digital programmierbaren Teilers 1.The heart rate is measured via the pulse input P via a first mono flip-flop 32 fed to the set input L of the counter memory component 2, its Output is connected to the input of a second mono flip-flop 33, whose The output is in turn connected to the reset input R of the counter-memory component 2 is. The parallel outputs of the counter Memory component 2 (period length) are at the programming inputs of the digitally programmable Divider 1.

Mit dieser Schaltung läßt sich die um den Faktor 1000 vervielfachte Herzpulsfrequenz durch die damit erreichte, vernachläßigbar kleine Zeitkonstante sehr einfach in ein Analogsignal mittels eines an sich bekannten Frequenz/Spannungswandlers, d.h. dem Digitalanalogwandler 3, umwandeln, dessen Analogausgang A an ein entsprechendes Analoganzeigeinstrument anschließbar ist.With this circuit the can be multiplied by a factor of 1000 Heart rate due to the negligibly small time constant achieved in this way very easily into an analog signal by means of a frequency / voltage converter known per se, i.e. the digital to analog converter 3, whose analog output A is connected to a corresponding Analog display instrument can be connected.

Die Frequenzvervielfachung erfolgt nach dem oben Gesagten somit durch eine entsprechende Programmierung eines programmierbaren Digitalfrequenzteilers, wobei der Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Herzimpulsen digital gemessen wird. Die der Messung innewohnende digitale Information, wobei es sich um eine Zeitmessung handelt, steuert dann den Programmiereingang des 1000:1 Teilers 5, der im Ausführungsbeispiel eine konstante Frequenz von einem MHz des Impulsgenerators 4 teilt. Das Verhältnis der Eingangsfrequenz des Frequenzteilers zur Frequenz des bei der Periodenzeitmessung als Zeitbasis benutzten Taktes ergibt dann den Vervielfachungsfaktor. Dieser Faktor stellt das Verhältnis der Meßgrößenfrequenz, also der Pulseingangsfrequenz am Eingang P zur Ausgangsfrequenz am digital programmierbaren Teiler 1, die auf den Digitalanalogwandler 3 gegeben wird, dar.The frequency multiplication is carried out according to what has been said above a corresponding programming of a programmable digital frequency divider, where the time interval between two successive heart impulses is measured digitally will. The digital information inherent in the measurement, which is a time measurement acts, then controls the programming input of the 1000: 1 divider 5, which in the exemplary embodiment a constant frequency of one MHz of the pulse generator 4 divides. The relationship the input frequency of the frequency divider to the frequency of the period time measurement clock used as a time base results then the multiplication factor. This factor represents the ratio of the measured variable frequency, i.e. the pulse input frequency at input P to the output frequency at the digitally programmable divider 1, which is based on the digital to analog converter 3 is given.

Diese, wie in Fig. 1 dargestellte Schaltung findet gemäß Fig. 2 Anwendung auf einen Herztaktmonitor.für die Herzpulsüberwachung von Patienten, wobei die im Blockschaltbild gezeigte Bauweise des Kardiokontrollgerätes sowohl die Pulsmessung als auch eine Grenzwertüberwachung und schließlich auch, wie nach anderen Schaltungsaufbauten übrigens bekannt, auch die Bradykardie-Tachykard ie- und Arrhythmle-Bestimmung ermöglicht.This circuit, as shown in FIG. 1, is used in accordance with FIG. 2 on a heart rate monitor for the heart rate monitoring of patients, whereby the im Block diagram shown construction of the cardiac control device and the pulse measurement as well as a limit value monitoring and finally also, as according to other circuit structures Incidentally known, also enables the bradycardia tachycard ie and arrhythmle determination.

Als Detektoren für das medizinische Meßgerät, dessen Schaltung in Fig. 2 vereinfacht wiedergegeben ist, können sowohl Elektroden über den Elektrodeneingang 25 bei EKG-Messungen benutzt werden als auch Opto-Pulsaufnehmer, die über den Eingang 24 angeschlossen werden.As detectors for the medical measuring device, the circuit of which is shown in Fig. 2 is shown in simplified form, both electrodes can be via the electrode input 25 can be used for EKG measurements as well as opto-pulse sensors, which are connected to the input 24 can be connected.

Für die Störunterdrückung und damit saubere Erfassung der peripheren Herzpulswahrnahme wird dem Eingang des Opto-Pulsaufnehmers 24 ein Opto-Verstärker mit 3,5 Hz Tiefpassfilter nachgeschaltet und dem Eingang 25 für die Elektroden ein EKG-Verstärker mit 50 Hz Sperrfilter. Der Opto-Tiefpassverstärker 7 ist ausgangsseitig über eine Leitung 261 und das EKG-Sperrfilter über eine Leitung 272 mittels eines einfachen Umschalters an eine Impulsumformer- und Triggerschaltung 9 angeschlossen, die aus den Herzpulsen beispielsweise eine Folge von Rechteckimpulsen herstellt. Die Impulsumformer- und Triggerschaltung 9 steht in Verbindung mit einer Pulskontrollschaltung 11, die entweder eine akustische Anzeige über einen Lautsprecher 12 oder auch eine optische Anzeige über eine Leuchtdiode 13 ermöglicht.For interference suppression and thus clean detection of the peripheral Heart pulse perception is received by the Opto-pulse sensor 24 a Opto-amplifier with 3.5 Hz low-pass filter connected downstream and input 25 for the electrodes are an EKG amplifier with a 50 Hz blocking filter. The opto-low pass amplifier 7 is on the output side via a line 261 and the EKG blocking filter via a line 272 by means of a simple switch to a pulse converter and trigger circuit 9 connected, for example, a sequence of square-wave pulses from the heart pulses manufactures. The pulse converter and trigger circuit 9 is in connection with a Pulse control circuit 11, which either has an acoustic indication via a loudspeaker 12 or an optical display via a light-emitting diode 13 enables.

Mittels eines Umschalters ist die Impulsumformer- und Triggerschaltung 9 an den P-Eingang des Analogwandlers nach Fig. 1 anschließbar, d.h. an die in Fig. 2 zusammengefaßt dargestellte Frequenzververvielfachungsschaltung, also den 1000:1 Teiler 5 mit dem 1 MHz Impulsgenerator 4 und dem programmierbaren Teiler 1, dem dann der Frequenzspannungswandler bzw. Digitalanalogwandler 3 nachgeschaltet ist. Ausgangsseitig besteht die Möglichkeit, an den Digitalanalogwandler 3 entweder ein Analoganzeigemeßinstrument 16 oder ein Digitalvoltmeter 14 bzw. eine andere beliebige Digitalanzeige 15 anzuschließen oder diese letztgenannten Anschlüsse gleichzeitig, also parallel zu realisieren. Über die Leitung 283 steht der Digitalanalogwandler 3 noch-in Verbindung mit einem Grenzwertmelder 17, der bei Überschreiten bzw. Unterschreiten einstellbarer Grenzwerte eine akustische Anzeige über einen Lautsprecher 20 oder eine optische Anzeige Fieber eine Leuchtdiode 21 oder dergleichen lichtimitierende Quelle ermöglicht. Der Grenzwertmelder 17 ermöglicht über den Widerstand 22 am Ausgang 30 die BradY-kardie-Einstellung und über den Widerstand 22' am Ausgang 31 die Tachykardie-Einstellung. Dadurch, daß der Digitalanalogwandler 3 über die Leitung 283 nicht nur mit dem Grenzwertmelder 17 verbunden ist, sondern über ein RC-Glied 19 zusätzlich mit einer an sich bekannten Arrhythmie-Schaltung 18, läßt sich an deren Ausgang zusätzlich auch noch die in vielen Diagnosefällen wichtige Arrhythmie-Messung mit dieser Schaltung ausführen.The pulse converter and trigger circuit is activated by means of a switch 9 can be connected to the P input of the analog converter according to Fig. 1, i.e. to the one shown in Fig. 2 summarized frequency multiplication circuit, i.e. the 1000: 1 Divider 5 with the 1 MHz pulse generator 4 and the programmable divider 1, the then the frequency-to-voltage converter or digital-to-analog converter 3 is connected downstream. On the output side there is the possibility of either one to the digital to analog converter 3 Analog display meter 16 or a digital voltmeter 14 or any other suitable Digital display 15 to connect or these last-mentioned connections at the same time, so in parallel to realize. The digital-to-analog converter 3 is still connected via the line 283 with a limit indicator 17, which can be set when the value is exceeded or not reached Limit values an acoustic display via a loudspeaker 20 or an optical one Display fever allows a light emitting diode 21 or the like light-emitting source. The limit monitor 17 enables the BradY cardia setting via the resistor 22 at the output 30 and the tachycardia setting via resistor 22 'at output 31. Through this, that the digital to analog converter 3 via the line 283 not only with the limit indicator 17 is connected, but via an RC element 19 in addition to a known per se Arrhythmia circuit 18, can also have the in carry out important arrhythmia measurements with this circuit in many diagnostic cases.

Die Leitungen 261 bis 26 lassen sich, wie durch die in Kreisen angegebenen Indizes symbolisch verdeutlicht, wahlweise an einen Schreiber anschließen, so daß das entsprechende Pulsverhalten dauerhaft festgehalten und archiviert werden kann.The lines 261 to 26 can be, as indicated by the circles Indices symbolically clarified, optionally connect to a recorder so that the corresponding pulse behavior permanently recorded and archived can be.

Wie oben bereits erwähnt, lassen sich durch die vorhandene Grenzwertüberwachungsschaltung die Bradykardie- und Tachykardie-Schwellen in gewünschter, aber an sich bekannter Weise einstellen, wobei bei Unter-oder Überschreiten der eingestellten Werte mit einer Toleranzgrenze von mehr als 5 Sekunden die erwähnte optische oder akustische Alarmanzeige automatisch ausgelöst wird.As already mentioned above, the existing limit value monitoring circuit the bradycardia and tachycardia thresholds are desired but known per se Set the way, with falling below or exceeding the set values with a tolerance limit of more than 5 seconds the mentioned optical or acoustic Alarm indication is triggered automatically.

Der für die vorliegende Schaltung verwendete opto-elektronische Klippaufnehmer am Eingang 24 des Opto-Tiefpassfilters 7 arbeitet im Infrarotbereich bei ca. 900 nm. LeerseiteThe opto-electronic clip sensor used for this circuit at the input 24 of the opto-low pass filter 7 works in the infrared range at approx. 900 nm. Blank page

Claims

PATENT CLAIMS Process for analog display and / or recording of low-frequency pulse trains by measuring a period in which the Time between two consecutive pulses is measured digitally, for example for heart pulse rate measurement, d a d u r c h e k e n n n z e i c h -n e t that the measured low-frequency pulse train first digitally by several powers of ten is multiplied and that then this high-frequency pulse sequence is known per se Way is converted into an analog signal by means of frequency-voltage conversion.

2. The method according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the frequency is multiplied by a factor of 1000.

3. The method of claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the frequency multiplication by means of a programmable digital frequency divider carried out the measuring frequency directly controls the programming input of the divider.