DE2800524A1

DE2800524A1 - Vorrichtung zur unterdrueckung von herzschrittmacher-fehlersignalen

Info

Publication number: DE2800524A1
Application number: DE19782800524
Authority: DE
Inventors: Rauf S Argon; Thomas F Marchese
Original assignee: American Optical Corp
Current assignee: Warner Lambert Co LLC
Priority date: 1977-01-19
Filing date: 1978-01-05
Publication date: 1978-07-20
Also published as: US4105023A; CA1098173A; JPS5390689A; NL7800530A; GB1596821A

Description

Bei Herzüberwachungssystemen, die bei Patienten mit Herzschrittmachern angewandt werden, sind nach dem Stand der Technik verschiedene Schaltanordnungen für das Unterdrücken des Schrittmacher-Entladungsimpulsteils des Schrittmacher-Störsignals vorgesehen worden, und zwar üblicherweise vermittels Verhindern eines EKG Signals zu dem Aussteuerungskreis über die Dauer des Sehrittmacher-Entladungsimpulses. Aufgrund der kapazitiven Ankopplung des Schrittmachers an das Herz und das sich ergebende Arbeiten mit Wechselstrom schließt sich jedoch an die Hauptentladung des die Energie speichernden Kondensators unter Ausbilden des Anregungsimpulses ein erneutes Aufladen des Kondensators an. Der sich aufladende Kondensator führt zunächst dazu, daß das festgestellte EKG einen Spannungsüberhang mit einer Polarität entgegengesetzt derjenigen des Herzanregungsimpulses zeigt, und dieser Überhang geht exponentiell auf einen Nullspannungswert mit einer Rate, die durch die Zeitkonstante des Kondensator-Aufladungsweges bestimmt wird. Die sich ergebende Aufladungsspannung oder Wellenform, die gelgentlich auch als Schrittmacher-"Taille" bekannt ist, --eist nun, wie kürzlich festgestellt, eine erhebliche Amplitude und ein Frequenzspektrura in dem Bereich des QRS-Komplexes dergestalt auf, daß dieselbe in der Lage ist eine falsched Zählung bei dem Herzratemonitar auszulösen oder in denselben einzuführen.

Erfindungsgemäß wird nun bei einem Herzüberwaschungssystem eine Signal-Unterdrückungsanordnung geschaffen, durch die nicht nur das Schrittmacherentladungsimpulsteil des Schrittmachersignals in dem festgestellten EKG unterdrückt, sondern ebenfalls das Aufladungswellenteil des Schrittmachersignals. Die Unterdrückung der Auflade-.elleforra wird dadurch erreicht, daß genau ein Schrittmachersignal identifiziert und sodann eine Aufladewellenform umgekehrter Polarität und vergleichbarer Größe nnd Dauer zu der "richtigen" Auflade-. eilenform synthetisiert und schließlich die richtige und die synthetisierte Aufladewellenform arithmetisch summiert werden, so daß sich dieselben praktisch auslöschen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

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Fig. 1 eine diagrammförmige Darstellung des erfindungsgemäßen Herzratemonitors in Arbeitsverbindung mit einem Patienten, der einen implantierten Herzschrittmacher besitzt;

Fig. 2 den Ausgangskreis des Herzschrittmachers einschließlich der Impedanz des Patienten;

Fig. 3 die festgestellte Brustkorbspannungswellenform eines Patienten mit einem Herzschrittmacher und weist die festgestellten Schrittmacher-Anregungsimpulse und die PQRST-Komplexe des Herzens auf;

Fig. 4 eine vergrößerte Teilansicht der Figur 3 und zeigt das festgestellte Schrittmacherstörsignal im einzelnen;

Fig. 5 ein ins einzelne gehendes Blockdiagramm des EKG-VErstärkers und den größten Teil des das Schrittmacherstörsignal unterdrückenden Kreises des Herzratenmonitors nach der Figuri;

Fig. 6 ein schematisches Diagramm, das in größeren Einzelheiten den die Schrittmacheraufladungswellenform unterdrückenden Kreis nach der Figur 5 wiedergibt;

Fig. 7 ein Blockdiagramm und zeigt den Herzratemonitor nach der Figur 1 im Einzelnen.

Die Figur 1 zeigt ein Herzraten-Überwachu-igssystem 10 bestehend aus einem EKG VSrstärker 11, einem Herzratenmonitor 12 und weiterhin einer wahlweisen Wiedergabeanordnung 14, die eine Kathodenstahlröhre und/oder eine bleibende Aufzeichnungen vornehmendes Gerät sein kann. Das Überwqchungssystem 10 und insbesondere der EKG Verstärker 11 sind elektronisch mit einem Patienten 15 über eine Mehrzahl Leiter 16 verbunden, die mit den entsprechenden Elektroden 17 in Verbindung stehen, und auf der Haut des Patienten angeordnet sind. Der Patient 15 ist hlerso wiedergegeben, daß derselbe einen implantierten monopolaren Schrittmacher 18 besitzt, der mit dem Herzen 19 zwecks Anregen desselben in Verbindung steht. In typischer Weise weist der Ausgangskreis des Schrittmachers 18, siehe die Figur 2, einen Kondensator C auf, der über einen Widerstand R mit einer Spannungsquelle +E und an dem anderen Ende mit einer Herzelektrode 21 verbunden ist, die im Inneren oder benachbart zu dem Herzen 19 angeordnet ist. Eine weitere Elektrode 22 des Schrittmachers 18 besteht ebenfiills in Verbindung mit dem Herzen 19 und dient als ein Bezugswert oder Stromrücklaufweg. Der Patient 15 stellt eine Impedanz R zwischen Elektroden

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22 und 21 dar. Der Kondensator C wird über den Kreis bestehend aus

der Patientenimpedanz R, dem Kondensator C und dem Widerstand R aufgeladen. Ein Schalttransistor 20 mit geerdetem Emitter, dessen Kollektor mit dem Widerstand R und dem Kondensator C verbunden ist, wird in den leitenden Zustand geschaltet zwecks Abgabe der in dem Kondensator C gespeicherten Energie in das Herz 19, wodurch sich in bekannter Weise die Anregung des Herzens ergibt.

Fig. 4 zeigt die Wellenform der an der Elektrode 21 des Schrittmachers 18 nach der Figur 2 während und nach der Erzeugung des Schrittmacher-Entladungs- oder Anregungsimpulses DP auftretenden Spannung e, . Es sei angenommen, daß der Kondensator C auf eine Spannung +E vor dem Auftreten zu dem Zeitpunkt t eines Steuersignals mit der Dauer T an der 3asis des Transistors 20 aufgeladen ist. Das Steuersignal (nicht gezeigt) steuert die Zeit, innerhalb derer die Energie an das Herz 19 abgegeben wird und belauft sich typischer Weise auf etwa 0,5 bis 3 msec, wobei zum Zwecke der Erläuterung hier zwei msec, ausgewählt sind. Bei t leitet der Transistor 20, und hierdurch fällt sofort die Spannung an der Elektrode 21 um die Größe E. Der Kondensator C beginnt sich sodann durch das Herz mit einer Zeitkonstaate T, zu entladen, die das Produkt aus dem Kondensator C und der Patientenimpedanz R ist. Zu Ende der zwei msec, und normalerweise vor dem vollständigen Entladen des Kondensators C wird der Transistor 20 abgeschaltet und der Kondensator C beginnt sich erneut aufzuladen, wobei die Zeitkonstante T gleich (R + R )C ist. Wenn der Entladungsimpuls DP bei t~ (2 msec.) endet, geht die Spannung an der Schrittmacherelektrode 21 positiv über den normalen ilullbezugswert hinaus und erfährt eine Überhangspannung e,, die durch das Verhältnis e,. = bestimmt wird, wobei e, die Größe des Spannungsabfalls während der Entladung des Kondensators C ist. In typischer Weise wird sich die Größe der Überhangspannung e₄ auf etwa 1/40 der Spannung E belaufen. Die Zeitkonstante T der Wiederaufladung beläuft sich möglicherweise auf 200 - 300 msec, dergestalt, daß der Kondensator C nicht praktisch vollständig über eine Zeitspanne von möglicherweise 500 msec, oder mehr erneut aufgeladen wird. Es ergibt sich somit, daß die Wiederaufladewellenform RW des Schrittmachers oder der sogenaiuice Scnrittmacher"schwanz" eine Größe von größer als 100 mV an dem Herzen Z-*. viele 10er Millisekunden und sogar mehr als 100 msec, besitzen kann.

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Der Schrittmacher-Entladungsimpuls DP ist normalerweise um ein Vielfaches größer als irgendein Teil des PQRST Komplexes und die Wiederauf ladewellenform RW kann eine anfängliche Größe aufweisen, die vergleichbar zu oder größer als das R-Wellenformteil des Komplexes sein kann. Weiterhin sind die allgemeinen Frequenzcharakteristika der Entladungswellenform RW vergleichbar zu denjenigen, wie sie durch einen normalen QRS Komplex gezeigt werden. Aus diesen Gründen kann der Schrittmacher-Entladungsimpuls DP und/oder die Wiederaufladewellenform RW gemeinsam oder getrennt als normale QRS Komplexe an dem R-iJellenfeststellungskreis des Herzratemonitors auftreten.

In der Figur 3 ist die linke Störung in dem Signal als PDA (Schrittmaclierstörsignal) angegeben und weist das Entladeimpulsteil (DP) und das Viiederaufladewellenformteil RVi des Schrittmacherimpulses auf. Diese spezielle PSA Welle konnte das Herz nicht anregen, jedoch trifft dies für die nächste rechte PA Welle zu, wodurch sich die angeregte Erzeugung des RST Komplexes durch das Herz innerhalb von etwa 100 msec, nach dem Schrittmacherimpuls ergibt. Wach rechts anschließend ist sodann ein vollständiger natürlicher PQRST Komplex des Herzens gezeigt, wobei kein PSA Signal vorliegt, da es sich bei den Schrittincher 13 um einen Bädarfsschrittnacher handelt.

Der Herzratenraoniibor 12 besitzt einen Größen- und Frequenzdiskrirainatorkreis allgemein bekannter Bauart für das Feststellen der R-ITeIIe in dem EKG Signal, der einen derartigen Beweis für einen Herzschlag aufzeichnet oder angibt. Dieser Kreis des Monitors 12 kann jedoch ebenfalls auf den Entladungsimpuls OP und/oder die Wiederaufladewellenform RVi des Schrittmacherströsignals PSA ansprechen unter zusätzlichem Feststellen eines Herzschlages, und dies obgleich derartige Herzschläge nicht vorliegen, es sei denn, daß eine Kompensation durch die erfindungsgemäße Schaltung erfolgt.

Unter Bezugnahme auf die Figuren 5 -7 erstrecken sich die mit den Patientenelektroden verbundenen Leitungen 1 δ zu den Lingängen des Verstärkers 23, dessen Ausgangssignal durch einen iSntkopplungsverstärker 24 den Eingang eines spannungsgesteuerten tDszillators 25 zugeführt werden. Hin herkömmlicher Zeitbasis-Rückstellkreis 26 hält Signalabweichungen hintenan, die sich durch das Slektrodenungleich-

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gewicht ergeben. Die Verstärker 23 und 24, der spannungsgesteuerte Oszillator 25 und weiterhin die sendende Seite des optischen Kopplers 27 werden durch eine schwimmende Energiequelle 99 gespeist, um so die erforderliche Patientenisolation von dem verbleibenden Kreis zu erzielen, der mit einer geerdeten Energiequelle (nicht gezeigt) verbunden ist.

Das an dem Ausgang 29 der phasenstarren Schleife 28 auftretende Signal ist eine auf die Erdung bezogene, verstärkte Wiedergabe des durch die Elektrode 17 festgestellten EKG Signals und läuft längs zweier Wege. Auf dem einen Weg wird der scharfe Entladungsimpuls DP des Schrittmachers durch den Hochfrequenz-Unterdrückungskreis 30 geschwächt, der einen Ratenbegrenzer dergestalt eingestellt aufweisen kann, daß dessen Ausgangsspannung sich nicht schneller verändert als eine vorher festgelegte Rate, die wesentlich kleiner als die Veränderungsrate ist, die in dem Maximum des Schrittmacherentladungsimpulses DP vorliegt. Das Ausgangssignal des Unterdrückungskreises 30 tritt auf dem Leiter 31 auf und wird den Summierern 32 bzw. 33 zugeführt. Die benachbart zu dem Leiter 31 wiedergegebene Wellenform zeigt einen stark unterdrückten Schrittmacherentladungsimpuls DP, wobei jedoch die niederfrequente Entladungswellenform RW und jeder natürlich auftretende oder angeregte QRS Komplex praktisch intakt verbleibt.

Der zweite Laufweg des festgestellten EKG Signals von der phasenstarren Schleife 28 aus wird zu den entsprechenden Eingängen eines Bandpaßfilters 34 und eines Kerbfilters 35 zugeführt. Das Bandpaßfilter 34 weist einen Slewratendetektor auf, durch den die Slewrate des Entladungsimpulsteils DP des Schrittmacherimpulses festgestellt wird. Das Filter 34 weist ein erstes RC Netzwerk auf, durch das die Zeitableitung der eingeführten Wellenfrm erhalten wird. Ein zweites RC-Netzwerk in dem Filter 34 weist hochfrequente Komponenten des Eingangssignals zurück, .,ie sie aufgnund der 100 KHz des VCO in der Phasenstarren Schleife 28 auftreten können.

Das Ausgangssignal des Bandpaßfilters 34, wie durch die Leitung 35 und die darüber gezeigte Wellenform wiedergegeben, wird dem Eingang eines Pegeldetektors 36 zugeführt. Aufgrund der Differentiation des Signals durch das Bandpaßfilter 34 erfährt die auf der Leitung 35 auftretende Wellenform einen abrupten negativen übergang erheblicher Größe zu dem Zeitpunkt t und kehrt sich dann selbst abrupt um und

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kreuzt den Nullbezugswert zu einem mittleren positiven Wert bei der Entladung des Kondensators C in das Herz des Patienten und anschließend zu dem Zeitpunkt t- wird das Signal noch positiver bis zu einem Extremwert und kehrt sodann schnell praktisch zu dem Nullbezugswert zurück. Der Schrittmacher-Entladungsimpuls DP führt somit zu einem Paar Signalauslenkungen erheblicher Größe, die mit entgegengesetzten Polaritäten auf der Leitung 35 auftreten und dem Beginn und dem Ende des Schrittmacherimpulses entsprechen.

Der Pegeldetektor 36 weist ein Paar komplimentärer Differentialserstärker auf, wobei das auf der Leitung 35 auftretende Signal einem entsprechenden komplimentären Eingang jedes derselben zugeführt wird und der andere Eingang jedes Verstärkers ist auf eine Schwellenwertspannung + T, eingestellt, der normalerweise lediglich durch die differenzierten Spannungsauslenkungen des Schrittmacher-Entladungsimpulses DP überschritten wird, der auf der Leitung 35 auftritt, die Wiederaufladewellenform RW und/oder der PQRST-Komplex sind hierbei normalerweise kleiner und beeinflussen nicht das Ausgangssignal des Pegeldetektors 36.

Das Ausgangssignal des Detektors 36, das durch die Leitung 37 und die darüber angegebene Wellenform wiedergegeben wird, wird dem Eingang des Kreises 38 zugeführt, der die Dauer des Schfittmacherimpulses feststellt, und dasselbe weist eine positive Spannung (d.h. + 15 V) auf und macht einen ersten abrupten negativen Schritt, d.h. -10 V kurzer Dauer (d.h. 0,1 msec.) zu dem Zeitpunkt t auf, wenn der Schwellenwert -T. überschritten wird und führt einen zweiten kurzen

negativen Schritt zu dem Zeitpunkt t₂ aus, wenn der Schwellenwert +T, überschritten wird.

Der Detektor 38 zum Feststellen der Schrittmacherimpulsdauer besteht im wesentlichen aus einem ersten monostabilen Multivibrator 40, einem zweiten monostabilen Multivibrator 42 für das Feststellen der Dauer des Schrittmacherimpuls-Feststellintervals sowie einem Kreis für das Feststellen der Koinzidenz einschließlich eines Transistors 50 für das Ausbilden eines Ansprechens sobald der zweite negative Schritt oder Impuls auf der Leitung 37 (derselbe tritt normalerweise zum Zeitpunkt t₂ auf) innerhalb des durch den monos^abilen Multivibrator 42 bestimmten Intervalls auftritt. Es ist ein monostabiler Multivi-

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brator 52 für das Erzeugen eines Abtast- oder Markierungssignals ebenfalls als Teil des Detektorkreises 38 gezeigt, wobei derselbe jedoch wahlweise als ein Teil des Abtast- und Haltekreises 63 gezeigt werden kann.

Der Pegeldetektor 36 ist über die Leitung 37 mit dem Triggereingang des monostabilen Multivibrators 40 verbunden. Der monostabile Multivibrator 40 spricht auf den ins Negative gehenden Schritt des Triggersignals an unter Ausbilden eines ins Positive gehenden Ausgangsimpulses mit einer Dauer von 0,3 msec. Das Ausgangssignal des monostabiäen Multivibrators 40 wird über die Leitung 41 in den Triggereingang des monostabilen Multivibrators 42 und zusätzlich über die Leitung 41' in den Ratemonitor 12 geführt. Der monostabile Multivibrator 42 spricht auf das ins Negative gehende Signal auf der Leitung 41 an, das zu dem Zeitpunkt t₃ auftritt unter Erzeugen eines entsprechenden ins Positive gehenden Impulses mit einer Dauer von etwa 2,2 msec, der an dessen Ausgang auftritt. Somit befindet sich das Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators 42, wie durch die Leitung 43 und die darüber angegebene Wellenform wiedergegeben, normalerweise bei einem negativen Potential (d.h. - 15V) und geht positv in eine neutrale oder Erdungsspannung zum Zeitpunkt t.,, über und bleibt bei dieser relativen hohen Spannung 2,2 msec, lang bis zu dem Zeitpunkt t_0KK, ,/orauf diese Spannung auf die normale negative Spannung zurückgeführt wird. Dieser auf der Leitung 43 auftretende Impuls definiert das Schrittmacherimpulsfeststellintervall oder "Fenster", mit dem der u-Schritt in der Spannung des auf der Leitung 37 auftretenden Signals koinzidieren muß, um einen Hinweis darauf zu ergeben, daß ein Schrittmacherentladungsimpuls DP aufgetreten ist.

Das von dem Pegeldetektor 36 auf der Leitung 37 kommende Signal wird den Invertierungeeingang eines Verstärkers 44 zugeführt, der einen invertierten Ausgang 45 mit etwas größerer Minusspannungsschwankung aufweist. Das Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators 42 und das Ausgangssignal des Verstärkers 44 werden in entsprechender Weise einer gemeinsamen Verbindung 46 über die Dioden 47 bzw. 48 zugeführt. Die Anoden der Dioden 47 und 48 sind beide direkt mit der Verbindungsleitung 46 dergestalt verbunden, daß die dort auftretende Spannung die niedrigste (negativste) der zwei Spannungen ist, die zu jedem Zeitpunkt auf den Leitungen 43 bzw. 45 auftreten.

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Die Spannung an der Verbindungsstelle 46 wird der Basis des Transistors 50 zugeführt, der über die Basis des Widerstandes 49 geerdet ist. Der Emitter des Transistors 50 ist mit einer negativen Spannung verbunden, und der Kollektor ist über den Widerstand 51 geerdet. Der Transistor wird lediglich dann leitend gemacht, wenn die an seiner Basis auftretende Spannung positiver (d.h. geerdet) ist als das an seinem Emitter auftretende negative Potential. Das Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators 42 beläuft sich normalerweise auf -15V dergestalt, daß der Transistor 50 normalerweise nicht leitend ist.

Das auf der Leitung 43 auftretende Signal nimmt auf den Erdungswert während des Intervalls t_ , bis t_{o κ} zu. Man sieht, daß während des

υ,ο ί,ο

größten Teils dieses Intervalls das auf der Leitung 45 auftretende Signal sich bei -15V befindet und somit das Potential an der Verbindungsstelle 46 bestimmt. Zu Ende von t₂ des Entladungsimpulses DP schaltet jedoch die Spannung aufder Leitung 45 kurzzeitig auf +15V dergestalt, daß die Erdungsspannung auf der Leitung 43 nunmehr das an der Verbindungsstelle 46 auftretende Potential bestimmt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Transistor 50 leitend und dessen Kollektorspannung fällt vom Erdungswert auf das negative Potential (-15 V) des Emitters über die verbleibende Zeitspanne (d.h. 0,5 msec.) innerhalb derer das auf der Leitung 43 vorliegende Signal beim Erdungswert verbleibt.

Der Kollektor des Transistors 50 wird über den Kopplungskondensator 54 und die Leitung 55 mit dem Eingang des den Schrittmacherimpuls simulierenden monostabilen Multivibrators 56 verbunden. In ähnlicher Weise wird das Ausgangssignal des Kollektors 50 über den Kopplungskondensator 57 und die Leitung 58 dem Triggereingang des 100 Mikrosekunden monostabilen Multivibrators 52 zugeführt. Beide monostabilen Multivibratoren 56 und 52 sprechen auf die verringerte Spannung in dem Transistorkollektor an, ./ie sie zum Zeitpunkt t₂ auftritt, wodurch die entsprechenden monostabilen Multivibratoren ausgelöst werden. Das Auslösen des monostabilen Multivibrators 52 führt zu dem Erzeugen eines positiven Impulses mit 100 Mikrosekunden von dem Zeitpunkt t~ bis zu dem Zeitpunkt t„ ₁, und weist den Markierungsimpuls für das Abtasten der Spannung des festgestellten EKG Signals praktisch zu Beginn der Schrittmacher-Wiederaufladewellenform RW auf. Der Markierungsimpuls des monostabilen Multivibrators wird durch die Diode

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60 über die Leitung 61 dem Tor von FET 62 zugeführt, der einen Teil des Kreises 63 für das Abtasten der hinteren Kante und des Haltens ist.

Der Kerbfilter 35 empfängt das festgestellte EKG Wellenformsignal an seinem Eingang von dem Ausgang der Phasen-starren Schlaufe 28 und weist 100 KHz Komponenten zurück, die durch den Spannungssteuerungsoszillator verursacht werden. Das Ausgangssignal des Kerbfilters 35 ist eine verstärkte Version der durch die Elektroden 17 festgestellten Schrittmacherimpuls-.,eilenform und/oder PQRST Wellenform und dieses Signal wird sodann durch den Puffer 64 über die Leitung 65 einem Ende des Eingangswiderstandes 66 zugeführt, dessen anderes Ende mit der Quellenelektrode von FET 62 verbunden ist.

Der Kreis 63 für das Abtasten der hinteren Kante und das Halten und der inverse Übergangsgenerator 67 nach der Figur 5 sind in der Figur 6 so dargestellt, daß dieselben im wesentlichen aus dem FET-Schalter 62, einem Verstärker 68, einem parallelen RC-Netzwerk des Widerstandes 69 und dem Kondensator 70 bestehen, der in Rückkopplungsanordnung zwischen dem Ausgang des invertierenden Eingangs des Verstärkers 68 und ebenfalls einem Ilultiplier Widerstand 71 geschaltet ist. Die Saugelektrode des FET 62 ist mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 60 verbunden, und der Ilultiplierwiderstand 71 erstreckt sich von dem Ausgang des Verstärkess 63 zu der Quellenelektrode des FET 62. Es liegt ein Torwiderstand 72 zwischen dem Tor des Transistors 62 und der Erdung vor.

Der FET 62 liegt normalerweise unter Vorspannung vor, so daß derselbe nicht leitend ist und das Beaufschlagen eines ins Positive gehenden Markierungsinpulses auf dessen Tor ausgehend von dem monostabilen Multivibrator 52 schaltet den Transistor in den leitenden Zustand über eine Zeitspanne von 100 ilikrοSekunden des Markierungsimpulses. Während der kurzzeitigen Leitung des FET 62, entsprechend t_ nach der Figur 4 wird das anfangsteil der Wiederaufladewellenform RW, die auf der Eingangsleitung 65 auftritt, abgetastet, wobei sodann ein hierzu proportionaler inverser Spannungsanteil sodann an dem Ausgang des Verstärkers 63 auftritt und dazu dient, den Kondensator 70 aufzuladen.

Wenn anhand der Figur · 4 angenommen wird, daß die Größe des auf der Leitung 65 auftretenden Eingangssignals der Spannung e* zu dem Zeitpunkt t₂ entspricht, .ird sich die Größe der in dem Kondensator 70 nach Abschluß des 100 Mikrosekunden dauernden Abtastsignals vorliegenden inversen Spannung auf gleich -e₄ (^j) belaufen, ..obei R1 gleich

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dem Widerstand des Multiplierwiderstandes 71 und R2 gleich dem Widerstand des Widerstandes 76 ist. Der Wert des Multiplierwiderstandes ist größer (vorzugsweise zweimal größer) als derjenige des Widerstandes 66 dergestalt, daß die Größe der auf dem Kondensator gespeicherten inversen Ladung größer als (vorzugsweise etwa zweimal größer) die Größe der Spannung e₄ zu Beginn der Wiederaufladewellenform RW ist, und zwar aufgrund weiter unten erläuterter Zwecke. Die Widerstandswerte der Widerstände 66 und 71 sind vorzugsweise klein und liegen in der Größenordnung von Hunderten Ohm, so daß der wesentlich größere Widerstandswert, (d.h. 1-10 megOhm) des Widerstandes 69 nicht in das Ilultiplierverhältnis eingeht. Der Kondensator 70 dient als ein Integrator der auf den Eingang des Verstärkers 68 beaufschlagten Spannung und erhält somit eine inverse Abtastung wenigstens (und vorzugsweise zweifach) der Größe der ursprünglichen e. Spannung der Wiederaufladewellenform RW zu Ende des Abtast-Markierungsimpulses zurück.

Unmittelbar nach Abschluß des ilarkierungsimpulses zum Zeitpunkt t_{o 1},

leitet der FET 62 nicht mehr, wodurch der Eingangswiderstand 66 und der Multiplierwiderstand 71 von dem Kreis getrennt werden, der dann lediglich aus dem Verstärker 68 und dem parallelen Rückkopplungsnetzwerk des Widerstandes 69 und dem Kondensator 70 besteht. Nachdem dem Verstärker 68 keine weiteren Eingangssignale zugeführt werden, beginnt die auf dem Kondensator 70 gespeicherte Ladung langsam abzufallen, v?ie dies durch die RC Zeitkonstante des Kondensators 70 und des Widerstandes 69 bestimmt wird. Diese als - τ bezeichnete Zeitkonstante sollte praktisch der Aufladezeitkonstante τ der Aufladewellenform RW entsprechen. Mit anderen Worten, die Zeitkonstante kann so festgelegt werden, daß das inverse Übergangsunterdrückungssignal, das durch das Ausgangssignal des Verstärkers 68 geliefert wird, ausgehend von einer relativ negativen Spannung in Richtung auf null mit etwa der gleichen Zeitkonstante, d.h. 200 - 300 msec, abfällt, wie dies bezüglich des Abfallens der Wiederaufladewellenform RW der Fall ist. Wenn z.B. der Widerstand 69 einen Wert von etwa 10 megOhm besitzt, kann der Kondensator 70 einen Wert von etwa 0,02 - 0,03 Mikrofarad aufweisen.

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Das Ausgangssignal des Verstärkers 68 wird über die Leitung 100 zu einem Ende eines Potentiometers 73 geführt, dessen anderes Ende geerdet ist. Der Ilittelabgriff des Potentiometers 73, wie durch die Leitung wiedergegeben, wird dem Eingang des Summierers 33 zugeführt.

Das Potentiometer 73 ermöglicht eine Größeneinstellung des erzeugten inversen Übergangssignals, um so einstellbar dessen kompensierende Abweichung bezüglich der Wiederaufladewellenform RW eines speziellen Patienten zu optimieren. Da das Potentiometer 73 zu einer einen maßstabmäßigen Verringerung der Größe des inversen Übergangssignals führt, ergibt sich warum die Größe der an dem Kondensator 70 gespeicherten Spannung vorzugsweise größer als die entsprechende Größe der Spannung ist, die die Wiederaufladewellenform RW zeigt. Das über die Leitung dem anderen Eingang des Summierers 33 zugeführte Signal, und zwar obgleich dasselbe stark unterdrückt den Schrittmacherentladungsimpuls DP aufweist, behält immer noch eine Wiederaufladewellenform RW in ihrer ursprünglichen Form bei. Durch arithmetische Summierung des auf der Leitung 74 auftretenden inversen Übergangssignals mit dem auf der Leitung 31 auftretenden Signal weist das von dem Summierer 33 kommende Signal, wie es durch die Leitung 75 und darüber gezeigte Wellenform wiedergegeben ist, eine wesentliche Unterdrückung sowohl des Schrittmacherentladungsimpulses DP als auch der Wiederaufladewellenform RW dergestalt auf, daß praktisch das einzige verbleibende Signal mit einer Amplituden- und/oder FrequenzZusammensetzungscharakteristik eines QRS-Komplexes tatsächlich ein QRS Signal ist.

Unter Bezugnahme auf die Figur 7 zeigt dieselbe im Einzelnen den Herzratenmonitor 12. Mit Ausnahme des monostabilen Multivibrators 76 und des Eingangssteuerungsschalters 77 verwendet die verbleibende Schaltung des Herzratenmondjtors 12 bekannte Arbeitsweisen zwecks Ansprechen praktisch nur auf Signale in dem 12-20 Hz Bereich des QRS. Wenn auch derartige Schaltungen im wesentlichen frequenzselektiv sind, j.önnen dieselben durch ein Signal besonderer Größe außerhalb der Bandpaßfrequenz des Systems überladen werden, z.B. den Schrittmacherentladungsimpuls .

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Der von dem monostabilen Multivibrator 40 kommende Impuls in dem Verstärker 11 wird überdie Leitung 41 durch einen Inverter 78 dem einen negativ kantigen Triggereingang des 300 msec, monostabilen Multivibrators 76 zugeführt, um so den monostabilen Multivibrator während des positiven Schrittes des monostabilen Multivibrators 40 bei t auszulösen. Das Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators 76 führt zu einem 30 msec, positiven Impuls, der über die Leitung 79 dem Steuereingang des normalerweise geschlossenen JFET Schalters 77 zugeführt wird. Das auf der Leitung 75 auftretende Signal wird einem Eingang des JFET Schalters 77 zugeführt, wobei der verbleibende Eingang über die Leitung 81 mit dem Eingang eines ersten 12-20 Hz Bandpaßfilters 80 verbunden ist. Der monostabile Multivibrator 76 arbeitet dergestalt, daß die Leitung des JFET Schalters 77 über eine vorherbestimmte Zeitspanne, d.h. 30 msec, beginnend mit dem Zeitpunkt t blockiertwird und hierdurch wird verhindert, daß das Signal auf der Leitung 75 an dem Eingang des Filters 80 auftritt.

Die vorherbestimmte Refraktionsperiode wird vorzugsweise so ausgewählt, daß dieselbe ausreichend lang ist, um mit dem Entladungsimpulsteil DP eines Schrittmacherimpulses und dem frühen Teil der Wiederauflade-..ellenform RW zusammenzufallen, dieselbe muß jedoch nicht so lang sein, daß dieselbe den Übertritt eines QRS Komplexes zu dem FilterSO inhibiert, der sich aufgrund des Einfangens des Herzens durch den Siraulierungsimpuls ergibt. Da das Refraktionsperiodenintervall nur in der Größenordnung von 20-30 msec, liegen kann, liegt somit das durch die Erfindung erfüllte Erfordernis vor, das verbleibende Teil der Wiederaufladewellenform RW zu unterdrücken, das eine derartige Größe aufweist, daß dasselbe in der Lage ist ein Ansprechen in der Schaltung des Monitors 12 zu registrieren.

Obgleich der JFET Schalter 77 v/irksam praktisch alle Entladungsimpulse DP des Herzrateüberwachungskreises blockiert, zeigt derselbe eine ausreichende Kapazität um ein Teil des Schrittraachermaximums weiterzuleiten, ,.em dasselbe nicht in anderer Weise durch den Ilochfrequenz-Unterdrückungskreis 30 nach der Figur 5 unterdrückt worden wäre. VJeiterhin dient der Hochfrequenz-Unterdrückungskreis 30 dazu, das Schrittmachermaximura hoher Amplitude zu unterdrücken, das genau zu dem Zeitpunkt t auftritt, da das Ansprechen des Pegeldetektors 36 und somit des verzögernden monostabilen Multivibrators 40

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40 und des raonostabilen llultivibrators 76 tatsächlich geringfügig verzögert v/erden, d.^. 0,1 nsec. gegenüber dera Zeitpunkt t .

Jia 3andpaßfilter GO und G 2 wirken als Dämpfungsfilter, die für jeden UH3 !Complex zu eineia Schwingungsimpuls führen. Das Ausgangssignal des Filters 82 wird dem Eingang eines Präzisionsgleichrichters 83 zugeführt, eier diesen Gchwingungsippuls in einen einpolaren Impuls überführt, der die relativen positiven und/oder negativen Größen c"os .;?.S I'o:.-l~.1c::;33 wiedergibt. Der Gleichrichter 33 ermöglicht es "- eilen jeder Polarität festzustellen.

Dar i.iono^olare Iiv^uls des Ausgangssignals des Gleichrichters 33 wird den Hingang dos Pogsldetektors 84 zugeführt, der seine Zustände lediglich dann verändert, wenn der einpolare Impuls eine vorherbestimmte Gchuellenwertanplitude überschreitet, dieeinen Hinweis auf eine R-"alle gibt. TTenn der Pegeldetektor 84 seine Zustände verändert, „ird dies als ein Hinweis darauf genommen, daß eine R-Uelle vorliegt und führt soitiit dazu, daß ein Ausgangsimpuls längs einer Leitung 85 dem entsprechenden Triggereingang eines aweifcen 200 msec, messenden monostabilen Multivibrators 86 und einem 100 msec, monostabilen Multivibrator 87 zugeführt wird.

Der 200 iasec. Ausgangsimpuls des monostabilen Multivibrators 86 wird dem Integrator 88 zugeführt, ,odurch in bekannter Weise bei 89 ein Durchschnittswert der Herzrate herausgelesen wird. Der 100 msec, r.ionostabile Ilultivibrator 87 erzeugt einen Abtastimpuls, der dem Markierungseingang des Abtast- und Haltekreises 90 mittig bezüglich des 200 msec. Intervalls des Abmeßimpulses des monostabilen Multivibrators 86 zugeführt wird, um so unzweckmäßige Schwankungen der Duchscnittsimpulse auf einen Analogmesser zu verringern und einen Digitalmesser zweckmäßig arbeiten zu lassen. Das an dem Ausgang des Abtast-Iialtekreises 90 auftretende Signal ist hier zusätzlich so gezeigt, daß dasselbe den oberen und unteren Alarmkreisen 91 zugeführt wird, unter Ausbilden eines optischen, akustischen und/oder beide Funktionen aufweisenden Alarms, falls die Herzrate einen zuvor eingestellten oberen oder unteren Grenzwert überschreitet. Unter erneuter Bezugnahme auf die Figuren 5 und 6 liefert der Simulator einen Ausgangsimpuls vorherbestimmter Polarität und Dauer, in dem vorliegenden Fall um einen negativen Impuls mit einer Dauer von 15 msec, für die Anwendung bei dem Simulieren eines Schrittmacherimpulses in einem Oszilloskop oder Wiedergabevorrichtung, sobald

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ein Schrittmacherimpuls festgestellt wird. Obgleich ein Signal bei Vorliegen eines derartigen Schrittmacherimpulses an der Stelle 29 an dem Ausgang der phasenstarren Schlaufe 28 erhalten v/erden kann, oind doch die Slewrate und Dauer eines derartigen Schrittmachermaximums normalerweise so schnell und kurz, daß eine genaue Verfolgung durch den Schreibstift einer Aufzeichnungsvorrichtung verhindert wird. Somit liefert der Simulator 56 ein simuliertes Schrittmachersignal, das eine wesentlich größere Dauer als das natürliche Schrittmachermaximum besitzt, d.h. 51 msec, gegenüber 2 msec. Das Ausgangssignal des Simulatorvibrators 56, -.;ie durch die Leitung 95 und die angegebene Wellenform wiedergegeben, ;.ird dem anderen Eingang des Summierers 32 zugeführt zwecks arithmetischer Addition mit dem auf der Leitung 31 auftretenden Signal. Das Ausgangssignal des Summierers 32, wie durch die Leitung 36 und der darin wiedergegebenen Wellenform gezeigt, weist das Informationseingangssignal auf, das der Wiedergabevorrichtung 14 zugeführt wird. In dieser Weise kann das Auftreten eines Schrittmachermaximums deutlich auf einem Oszilloskop oder Aufschreiben der Wiedergabevorrichtung aufgezeichnet werden unter Anwenden eines standardisierten und leicht aufzeichenbaren simulierten Schrittmachersignals. Wenn auch das simulierte Schrittmachersinglal zu dem Zeitpunkt t₂ oderrait anderen Worten 2 msec, nach Beginn des eigentlichen Schrittmachermaximums beginnt, ist doch eine derartige zeitliche Differenz durch das Auge praktisch nicht wahrnehmbar.

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Claims

PATENTANWALT _ΌΑ BERLIN 33 2.1.1978

MANFRED MlEHE ^FALKENRIED4

Telefon: (030) 8 3119 50

Diplom-Chemiker O Q fi Π R 9 L Telegramme: INDUSPROP BERLIN

£ Q U U V £ *f Telex: 0185443

US/02/2375 AO-2855

AMERICAN OPTICAL CORPORATION Southbridge, Mass. 01550, USA

Vorrichtung zur Unterdrückung von Herzschrittmacher-FehlerSignalen

Patentansprüche

11.)Herzüberwachungssystem mit einer Anordnung für das Feststellen der EKG-Signale eines Patienten, einer auf den QRS-Komplex der festgestellten EKG Signale ansprechenden Anordnung zwecks Anzeigen des Zustandes eines Patienten und einer Signalunterdrückungsanordnung für das Unterdrücken des Schrittma-cher-Entladungsimpulsteils eines Herzschrittmacher-Fehlersignals, das möglicherweise in dem festgestellten EKG-Signal auftritt, um so eine falsche BEtätigung der die Herzrate anzeigenden Anordnung zu verhindern, wobei das Schrittmacher-Fehlsignal aus dem Schrittmacher-Entladungsimpulsteils und einem Auf ladewellenformteil besteht, dadurch gekenn ze ichn e t , daß die Unterdrückungsanordnung zusätzlich aufweist eine Anordnung, die auf ein Schrittmacherfehlersignal in dem festgestellten EKG Signal anspricht unter Erzeugen eines Wiederaufladewellenform-Unterdrückungssignals entgegengesetzter Polarität gegenüber dem Wiederaufladewellenformteil des Schrittmachersignals und eine Anordnung für das »arithmetische Summieren des Wiederaufladewellenform-Unterdürckungssignals mit dem festgestellten EKG Signal zwecks zusätzlichem Unterdrücken des Wiederaufladewellenformteils, wobei die Größe und Dauer des Wiederaufladewellenform-Unterdrückungssignals dergestalt sind, daß hierdurch ebenfalls eine falsche BEtätigung der den Zustand des Patienten anzeigenden Anordnung durch das Wiederaufladewellenformteil des Schrittmacher-Fehlersignals verhindert wird.

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2. Herzüberwachungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,daß die Anordnung für das Anzeigen des Zustandes des Patienten eine die Kerzrate anzeigende Anordnung ist.
3. Ilerzüberwachungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Größe des Uiederaufladewellenform-Unterdürckungssignals praktisch proportional der Größe des entsprechenden viiederauf ladewellenformteils des Schrittmachersignals ist.
4. Herzüberwachungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Wiederaufladewellenformteil des Schrittmachersignals eine ausreichende Größe für einen speziellen Intervall besitzt dergestalt, daß die die Rerzrate anzeigende Anordnung betätigt wird, sowie das Wiederaufladewellenform-Unterdrückungssignal wenigstens über einen Intervall vorliegt, der praktisch rechtzeitig mit dem speziellen Intervall des iviederaufladewellenformteils vorliegt.
5. Herzüberwachungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Größe des Wiederaufladewellenform-Unterdrückungssignals praktisch gleich der Größe des entsprechenden viiederaufladewellenformteils des Schrittmachersignals ist.
6. Herzüberwaschungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Unterdrückungsanordnung eine Anordnung aufweist, die auf ein Schrittmacherfehlersignal anspricht unter Erzeugen eines Markierungssignals, das praktisch zu Beginn des IJiederaufladev/ellenformteils desselben vorliegt, sowie die Anordnung für das Erzeugen des Wiederaufladewellenform-Unterdrückungssignals einen Übergangsgenerator aufweist, der ein Ausgangssignal liefert, dessen Größe eine Funktion der Größe des darauf beaufschlagten Eingangssignals ist, sowie eine Schaltanordnung vorliegt, die auf das Markierungssignal anspricht zwecks überführen des Beginns des viiederaufladewellenformteils des Schrittmacher-Fehlersignals auf den Übergangsgenerator als das Eingangssignal für denselben.
7. Herzüierwascaungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Wiederaufladewellenformteil des Schrittmacher-Fehlersignals eine exponentielle Aufladefunktion ist, die eine spezielle Zeitkonstante besitzt, sowie der übergangsgenerator

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einen RC-Kreis aufweist, wobei der Uert des RC-Kreises so ausgewählt wird, daß eich ein exponentieller Abbau dar entgegengesetzten Polarität ergibt falls das I^ingangssignal mit einer /JeitVonstante, die praktisch der speziellen Zeitkonstante der exponent ie Ilen Auf laO.^funktior. des /Jiederauflaäewellenformteils entspricht.
8. Herzüberwachungssystem nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der ^IC-Kreis einen parallel geschalteten "Jirlerstand und Kondensator besitzt, ,obei der "widerstand u.id der Kondensator in Serie nit der Schalteranordnung und der Sunr.ierungsanordnurig geschaltet sind.
9. Herzäberwachungssystem nach Anspruch 6, dadurch g a k e η η zeichnet , daß die Anordnung für aas IJrzeugen des Markierungssignals eine Anordnung für das Ausbilden einer Uia.iergabe der Seitableitung ues festgestellten KKG-Signals einschließlich jeder möglichen zeitabgeleiteten 'iiedergaba eines Schrittmacherentladungsirapulses, einschließlich erster und zweiter "iaxir.a entgegengesetzter Polaritäten zu Beginn bzw. Ende des Cchrittniacher-Entlaöungsirupulses aufweist, eine Anordnung auf die Zeit-abgeleitete wiedergabe anspricht unter Ausbilden eines Auslcsungssignals i amer dann, ..enn die Größe der zeitabgeleiteten Wiedergabe über einea Schwellenwert liegt, der den entsprechenden entgegensetzten Polaritäten der zeitabgeleiteten ?7iedergabe entspricht, der Schwellenwert für jede Polarität dergestalt ausgev/ählt wird, daß ein erstes Auslösesignal zu Beginn eines Schrittmacher-Entladungsimpulses und ein zweites Auslösesignal zu Ende des Schrittmacherentladungsimpulses ausgebildet wird, eine Anordnung auf das erste Auslösesignal anspricht zwecks Ingangsetzen eines vorherbestimmten Zeitintervalls im Anschluß an einen vorherbestimmten Spannungsabfall, das Ende eines normalen Schrittmacher-Entladungsimpulses auftritt während des ersten Zeitintervalls und eine Anordnung auf das zweite Auslösesignal anspricht, das während des vorherbestimmten Intervalls auftritt zwecks Erzeugen des Markierungsimpulses .
10. Herzüberwachungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die den entgegengesetzten Polaritäten der zeitabgeleiteten Wiedergaben entsprechenden Schwellenwerte praktisch gleich sind, die Schwellenwerte kennzeichnend für eine kleinste "slew" Rate des festgestellten Signals einschl. jedes möglichen Schrittmacher-Entladungsimpulses sind.

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