EKG-Verstärkerschaltung - European Patent Office

Europäisches P a t e n t a m t
OSO
European Patent Office
© Veröffentlichungsnummer:
EUROPÄISCHE
079
009
A2
Office europeen des brevet'
©
0
PATENTANMELDUNG
© Anmeldenummer: 82110012.0
© Anmeldetag: 29.10.82
(53) Priorität: 05.11.81 DE 3143831
© Veröffentlichungstag der Anmeldung:
18.05.83 Patentbiatt 8320
© Benannte Vertragsstaaten:
BE CH DE FR GB IT U NL
© IntCI.3: A 61 B 5 / 0 4
H 03 H 11/12,
H 03
F 1/42
©Anmelder: HONEYWELL and PHILIPS MEDICAL
ELECTRONICS B.V.
Stratumsedijk 29c
NL-5611 NB Eindhoven(NL)
© Erfinder: Peyer, Christoph
Riedlistrasse
CH-3123 Belp(CH)
© Vertreter: Rentzsch, Heinz et al,
Honeywell Europe S.A. Holding KG Kaiserleistrasse 55
Postfach 184
D-6050 Offenbach am Main(DE)
© EKG-Verstärkerschartung.
Bei einer EKG-Verstärkerschaltung mit Gleichstromunterdrückung durch ein RC-Hochpassglied zwischen Vorverstärker und Folgeverstärker wird eine gute Verzerrungsfreiheit des aufzuzeichnenden Signals bei geringer Basislinienschwankung dadurch erreicht, daß der Reihenschaltung
von Kondensator (C,) und Widerstand (R1) des ersten RCHochpassgliedes (R1,C1) ein zweiter Kondensator (C2) parallelgeschaltet und die Reihenschaltung eines Rückführverstärkers (A4) und eines Widerstandes (R2) zwischen den Ausgang
des Folgeverstärkers (A3) und den Verbindungspunkt von
zweitem Kondensator (C2) und Widerstand (R,) des ersten
RC-Gliedes (R1,C1) eingeschaltet ist (Fig.3).
Die
bezieht
Erfindung
mit
schaltung
zwischen
eines
Verwendung
entspricht
als
die
einer
gang
damit
Bei
zu
des
EKG
führt
das
und
darstellen.
EKG w i e d e r
einer
in
die
Störung,
Defibrillation
ist.
Um b e i d e n
ist
zu
linie
stets
nach
300ms.
daß
dazu,
eine
des
relativ
Die
des
P-
das
kurzer
und
des
Patienten
aufgetreten
dem W u n s c h
dargestellten
daß
in
infolge
wenn
Potentialänderung
d.h.
sich
Zeitkonstanten
Basislinie
Bewegung
langsame
Basislinien-
zurückkehrt,
Nullage
Wellen
(Offset-
und
werden,
die
wird.
Andererseits
großen
Basislinienschwankung
zurückkehrt.
maximal
gewählt
flachen
störende
einer
die
dargestellt
abgeflacht.
bis
lange,
berücksichtigten,
Signal
soll
groß
die
werden
Anforderungen,
Verzerrungsfreiheit
geringer
Bei
z.b.infolge
oder
und
unverzerrt
EKG a l s
des
außerdem
es
Einerseits
ausgeglichen
Art
am V e r s t ä r k e r e i n -
Zeitkonstante
mehr
Aufzeichnung
dauert
dieser
Elektrodenkontakt-Potentiale
der
RC-
EKG-Verstärkers
möglichst
S-Welle)
große
nicht
schwankung
RC-Gliedes
EKG-Signal
eine
Schwankungen
der
des
ein
Endverstärker.
und
Sprungfunktion
Zeitkonstante
(P-,T-
Spannung)
durch
RC-Gliedes
einzigen
eine
des
kleiner
aber
EKG-Verstärker-
Vorverstärker
Exponentialfunktion.
Zeitkonstante
sein,
eine
Ausgangsspannung
auf
Antwort
auf
Gleichstromunterdrückung
Hochpassglied
Bei
sich
nach
EKG-Signals
gerecht
zu
werden
eigentliche
EKG-
Zeit
zur
wieder
T-Wellendauer
Null-
beträgt
der
Aufgabe
schaltung
die
mit
Diese
wird
Aufgabe
solchen
einer
daß
als
rasch
daß
auch
deren
noch
höherer
einem
Nullinie
die
der
Erfindung
ergeben
Die
Erfindung
wird
sich
Fig.1
dem E i n g a n g s -
RC-Filter
ist,
werden
können,
Ausgestaltungen
Unteransprüchen.
anhand
nachfolgend
Anstelle
Eigenschaften
Vorteilhafte
den
ein
bemerken
zu
folgt,
anstehenden
hier
verwendet
aus
Eigenschaft,
länger
erwähnten
zuvor
1
unverändert
wird
Ordnung
wiedergegebenen
Dabei
die
zurückkehrt.
wobei
aufweist.
ausgeprägter
erläutert.
bei
zur
Impulsantwort
Zeichnungen
hat
nahezu
eingesetzt,
Filter
Sprung-
Übertragungsfunktion
RC-Hochpassgliedes
Ordnung
wird,
im A n s p r u c h
Ausgangssignal
o,3s
auch
jedoch
bekannten
zweiter
die
Die
das
während
Eingangssignal
des
durch
gelöst
Sprungantwort
anschließend
gerecht
erzielte
Verstärkerschaltung
zunächst
signal
besser
teilweise
Exponentialfunktion.
Erfindung.
gekennzeichnete
sich
RC-Hochpassglied
einer
Form
EKG-Verstärker-
diesen
Anforderungen
einem
in
antwort
eine
es,
welche
finden,
zu
widersprechenden
als
ist
Erfindung
eines
in
den
Ausführungsbeispieles
zeigt
schematisch
einer
das
Blockschaltbild
herkömmlichen
EKG-Verstärker-
schaltung;
Fig.2a
Fig.2b
eine
in
ui
der
Zeit
t;
die
entsprechende
am A u s g a n g
ordnung
gemäß
Eingangs-
Abhängigkeit
spannung
u0
als
Sprungfunktion
der
von
Ausgangsspannung
Schaltungsan-
Figur
1;
Fig.2
den
c
gewünschten
in
Fig.3
Spannungsverlauf
Abhängigkeit
der
von
tungsanordnung
sölchen
zur
Verlaufs
eines
Ausgangseiner
Anlegen
Sprungfunktion
Schal-
Erzielung
der
u beim
spannung
Zeit;
einer
Ausführungsbeispiel
deren
an
ui
u
Eingang.
Die
bekannte
aus
einem
mit
Gleichstromverstärker
klemmen
2a,
stromverstärkers
des
kung
sich
den
Widerstand
im
verlauf
hat
nannten
Gründen
bei
ein
strebt
wird.
und
ponentialkurve
Figur
gliedes
kann
einen
die
die
dann
Figur
Verstärker
Funktion
im F i l t e r
des
des
Ein
u
den
2b
weshalb
(t)
nach
A2
SpannungsSpannungs-
für
gesolche
Null
2c
Figur
schneller
RC-Filter
ange-
über
als
hin
etwa
die
Ex-
ab.
RC-Hochpass-
F zweiter
Ordnung
Dabei
eingeschaltet.
Gleichstromverstärkers
F vorhandenen
C über
Verstärkerschal-
gemäß
einfachen
und
Wir-
eingangs
Eingangssprung u i
des
A1
Gleich-
solcher
unterworfene
Figur
1 ein
Verlauf
Kondensators
aus
wesentlich
anstelle
vom
abklingender
Nachteile,
dem
folgt
gemäß
3 ist
von
zwischen
EKG-Verstärkern
Spannungsverlauf
klingt
des
anschließt.
Bedingungen
Er
Spannung
Spannungssprung,an
exponentiell
gewisse
Eingangs-
differenzierenden
ein
Entladung
2b
Figur
ähnlichen
tungen
zunächst
R ein
gemäß
der
sowie
R,
die
am A u s g a n g
infolge
der
Zuge
verlauf
In
A2
RC-Gliedes
den
0,3s
entsteht
so
RC-Hoch-
an
man
Legt
eine
A,
einem
A1,
Widerstand
A2.
Vorverstärkers
des
Figur
gemäß
und
C und
Kondensator
1 besteht
Figur
Differential-Vorverstärker
passglied
einem
nach
Schaltungsanordnung
A2
durch
Operationsverstärker
A3
mit
übernommen
ist
deshalb
der
Praxis
entfallen.
Das
Filter
F enthält
bestehend
welches
werden.
Der
Gleichstromverstärker
gestrichelt
nur
wiederum
Kondensator
aus
zwischen
den
ein
eingeschaltet
des
R1
liegt
er
über
ist
Rückführverstärkers
tierender
Eingang
Widerstände
R3 u n d
verstärkers
A3
des
gang
zu
ein
ist.
Die
Widerstand
zwischen
dem
des
und
Widerstände
Damit
den
läßt
sich
hat
für
Kondensatoren
verstärkern
A3 und
dieser
R4
zweiter
als
den
A3
A4 h i e r -
zugeordnet
zum O f f s e t -
Operationsverstärker
Spannungsverstärkungs-
und
hohe
Der
a4.
einen
und
Eingangsent-
Voraussetzung
R5
zwischen
invertierendem
das
C,
der
unendlich
R3
und
A3
Rückführzweig
und
Ausgang
einen
Unter
Operationsverstärkers
im
ein
zugleich
dienen
R7
daß
eine
aufweist.
Verstärkers
dem A u s -
Operationsverstärker.
Einheitsverstärker
die
R2 u n d
Operationsverstärkers
und
R6
angenommen,
fallen
dem V e r -
Rückführwiderstand
sei
impedanz
Operations-
Operationsverstärker
Zunächst
hat
zweier
Zwischen
ist
R3
den
des
Eingang
Widerstände
"1"
inver-
ferner
liegt
R1
beiden
faktor
dessen
des
und
R1
eines
Ausgang
Ausgang
der
als
den
ist.
sondern
Masse,
den
Abgleich
A3
an
an
R5
Widerstände
besonderer
Fußpunkt
Reihenschaltung
während
geschaltet,
Der
die
Rückführwiderstand
invertierenden
an
und
2 über
Der
C2.
ist.
R2
in
R1,
den O p e r a -
angeschlossen,
A4
Vorverstärkers
Kondensator
A1
nicht
angeschlossen
der
bindungspunkt
hier
Widerstand
einen
Widerstand
Vorverstärker
A3
kann
RC-Hochpassglied
und
C,
tionsverstärker
Widerstands
und
dargestellt
A2
Ausgang
2 des
Eingang
Operationsverstärker
Verstärkungsfaktor
aus
C2,
den
Widerständen
sowie
A4 b e s t e h e n d e
den
A4
-g.
R1
und
Operations-
Filternetzwerk
die
R2,
in
eine
ui
der
von
Abhängigkeit
Ist
für
Differentialgleichung
folgende
die
Eingangsspannung
gemäß
Sprungfunktion
aufzustellen:
u1
Fig.1a,
so gilt:
1 lautet,
und d i e D i f f e r e n t i a l g l e i c h u n g
wenn
setzt:
τ 2 und R2C1 =
τ12
R1C1 = τ 1 ,
R2C2 =
Mit
der
sich
die
ist
die
Differentialgleichung
Differentialgleichung
Damit das A u s g a n g s s i g n a l
rasch
wieder
aperiodisch
Dämpfung
noch
man.
Substitution
schreibt
Dies
u
Ausgangsspannung
zur
einer
folgt:
gedämpften
nach einem E i n g a n g s s p a n n u n g s s p r u n g
Nullinie
gedämpft
wie
zurückkehrt,
sein.
Die
die
muss
Bedingung
für
Schwingung.
möglichst
Schwingung
aperiodische
lautet:
wählt
man
und
somit
als
Spezialfall:R1
= R2 und
C2 =
C2,
so
wird
mit
Die
der
Lösung
Fall
aperiodischen
Die
und
die
Wie
bereits
A3
zugleich
der
die
bekannten
(4)
einen
nicht
R5
des
und
schnell
gangsspannung
Die
einer
Taste
der
Operationsverstärker
Gleichstromverstärkers
gemäß
1 und
Fig.
sondern
Verstärkungsfaktor
20.
Folglich
seinem
von
Ausgang
sondern
hat
beiwird
Rückführver-
6 dem
über
A2
Widerstände
die
zugeführt.
S1
führt.
wird
"1"
Schaltungsansordnung
C2
Damit
Spannungs-
Verstärkungsgrad
unmittelbar
Kontakte
C1
übernimmt
Rückführspannung
und
u=0.
dem
lautet:
Aufgabe
einen
A4
und
nach
Schaltungsanordnung
nicht
stärker
Die
u=us
erwähnt,
spielsweise
R3
gilt:
Gleichung
deshalb
die
K1 und K2 bestimmen s i c h aus d e n
Unmittelbar
Anfangsbedingungen.
(t=0)
diesen
lautet:
Integrationszeitkonstanten
sprung
für
Differentialgleichung
und
gemäß
S2,bei
deren
entladen
augenblicklich
beiden
Schalter
betätigt
werden,
3 zeigt
Figur
Schließen
werden.
auf
können
die
Damit
die
von
ferner
Kondensatoren
wird
Nullinie
Hand
zwei
mit
die
Aus-
zurückgeHilfe
oder auch a u t o m a t i s c h beim U n s c h a l t e n
der EKG-Ableitungen oder wenn die Ausgangsspannung
einen
gewissen
Schwellwert ü b e r s c h r e i t e t .
In der P r a x i s
weniger a l s
kann es v o r t e i l h a f t
aperiodisch
sein,
gedämpft i s t .
wenn die
Schwingung e t w a s
Die S p r u n g a n t -
hat
wort
dann
Nullstelle.
abhängig
Der
damit,
daß
rasch
wieder
damit
auf
ein
das
in
oder
Dies
wird.
ist
sichtbar
daß
ist,
daß
nicht
Lösung
einer
Nullinienbereich
der
das
sofort
ein
einem
dann
starken
Störung
von
Bedeutung,
und
anschließend
überschwingen
so
wieder
und
EKG-Schreiber
werden
den
Anzeigesignal
un-
erreicht
aufgezeichnet
soll.
klein
ge-
Aufzeichnungs-
verläßt.
Differentialgleichung
gedämpften
ist
zurückkehrt
Patient defibrilliert wurde
wird,
bereich
einer
eine
Man
Sprunges.
nach
Bildschirm
einem
Voraussetzung
Die
den
Zeit
Nulldurchgangs
des
auch
Signal
EKG w e i t e r h i n
halten
des
Amplitude
sichtbar
wieder
wenn
das
bestimmten
einer
Zeitpunkt
der
von
nach
stets
harmonischen
(3)
Schwingung
für
den
Fall
lautet:
mit der K r e i s f r e q u e n z
Mit
der
für
t
= 0,
bestimmen
sich
womit
sich
Gleichung
(6)
Setzt
man
0
Anfangsbedingung u =
hier
die
wie
und
u = u
Integrationskonstanten
folgt
schreibt:
z.B.
und
g = 2,
so
folgt
zu
Diese
Funktion
hat
ihre
Sekunden.
Das
maximale
t
auf
und
= 4,53s
nimmt
erste
Nullstelle
Überschwingen
den
Wert
bei
tritt
u = -0,0044
t
= 3,78
bei
us
an.
1.
mit
EKG-Verstärkerschaltung
durch
und
ein
c h
der
a)
des
ein
Kondensator
von
ersten
zweiter
i c h
t
n e
Merkmale:
Reihenschaltung
(R1)
Vorverstärker
e k e n n z e
g
folgende
stand
ist
zwischen
RC-Hochpassglied
Folgeverstärker,
d u r
Gleichstromunterdrückung
und
(C1)
RC-Hochpassgliedes
Kondensator
(R1,C1)
parallel
(C2)
Wider-
ge-
schaltet;
b)
die
Reihenschaltung
und
eines
des
gang
punkt
Widerstandes
zweitem
von
e k e n n z e
führverstärker
n e
(A3,A4)
als
3.Schaltungsanordnung
e k e n n z e
stärker
und
an
(A3)
sein
den
nach
i c h
(A4)
t,
einen
Eingang
angeschlossen
nach
einem
(R1,C1)
eingeschaltet.
d
1,
und
Folge-
c h
d u r
a
Dimensionierung
Kondensatoren
(C1,C2),
(A4)
daß
der
Rück-
(2)
des
der
Folgeverwirksam
(A2)
(R3,R5)
Rückführ-
beiden
und
1 bis
Ansprüche
die
umfassenden
c h
ist.
Komponenten
(A3)
d u r
a
Spannungsteiler
der
Folgeverstärker
d
2,
d u r c h
g e k e n n z e i c h n e t
stärker
Widerstand
Endverstärker
über
invertierenden
den
und
Anspruch
als
(6)
4.Schaltungsanordnung
sowie
(C2)
Operationsverstärker
n e
zugleich
Ausgang
verstärkers
solche
Verbindungs-
daß
t,
Aus-
den
Anspruch
i c h
den
und
(A3)
Kondensator
nach
zwischen
(A4)
sind.
ausgebildet
g
ist
(R2)
RC-Gliedes
ersten
2.Schaltungsanordnung
g
Rückführverstärkers
Folgeverstärkers
des
(R1)
eines
eine
der
die
Widerstände
den
Filterschaltung
3,
beiden
(Rj,R2)
Rückführver(F),
daß
das
Sprungsignal
als
(u)
Ausgangssignal
eine
(ui)
auf
Antwort
aperiodisch
ein
Eingangs-
gedämpfte
Schwingung
Ansprüche
1 bis
ist.
5.
nach
Schaltungsanordnung
einem
d u r c h
g e k e n n z e i c h n e t
solche
Dimensionierung
Kondensatoren
den
sowie
stärker
(C1,C2),
Komponenten
die
beiden
umfassenden
Sprungsianal
Schwingung
als
(u)
Ausgangssignal
6.
der
Folgeverstärker
(A4)
(ui)
der
(A3)
auf
eine
der
die
Widerstände
den
Filterschaltung
Antwort
eine
und
ein
unteraperiodisch
3,
beiden
(R1,R2)
Rückführver(F),
daß
das
Eingangsgedämpfte
ist.
Schaltungsanordnung
z e
i c h
n et
für
jeden
der
nach
durch
beiden
je
Anspruch
einen
5,
g e k e n n -
Endladeschalter
Kondensatoren
(C1,C2).
(S1,S2)