AMPLITUDE CONTROL DEVICE FOR ELECTROMYOGRAPHICALLY RECORDED SIGNALS

Abstract: 1. Arrangement for processing of an electromyographically received signal which contains electrocardiographic components, characterised in that for the registration of uterus activity means are provided to detect elektromyographically the electrical fields in the abdominal region which accompany muscle activity, the amplitude values of the maternal electrocardiogram serving as standardization magnitude for the control of the amplitude of the electromyographically derived signal.

Description: Amplitudenregeleinrichtung für elektromyographisch aufgenommene Signale Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Amplitudenregeleinrichtung für elektromyographisch aufgenommene Signale bei einer Vorrichtung zur Detektion und Registrierung der Uterusaktivität mittels elektrischer Signale, bei der Mittel vorgesehen sind, um als Mass für intrauterine Druckänderungen die mit Muskelaktivitäten einhergehenden elektrischen Felder elektromyographisch im abdominalen Bereich zu erfassen und auszuwerten. Die Überwachung und Auswertung der Wehentätigkeit ist in der perinatalen Medizin wichtig zur überwachung des Verlaufs der Schwangerschaft und zur Beurteilung des Zustands der Feten. Da das mit der Uteruskontraktion einhergehende elektrische Feld sich wegen der grossen Ausdehnung und geringen Reizleitungsgeschwindigkeit der Uterusmuskulatur wesentlich von demjenigen der Herzaktionen unterscheidet und die Wellenform der extern abgeleiteten Spannungskurve, des Elektromyogramms, eher den Verlauf eines stochastischen Signals aufweist, sind zur Registrierung der Wehenkurven besondere Massnahmen erforderlich. Bei der bekannten Vorrichtung (EP-A1 00 00 504) wird bei einer möglichen Ausführungsform die elektromyographische Registrierung durch Gleichrichten und anschliessendes Tiefpassfiltern der abgeleiteten Signale durchgeführt. Unabhängig von der Art der Verarbeitung der ein Mass für die Wehentätigkeit bildenden Signale werden diese durch die Wehen selbst störend beeinflusst. Während der Wehen verändert sich nämlich die Position der Elektroden relativ zu den die Signalquellen bildenden Muskelfasern. Durch den Wechsel der Übertragungswege sind Variationen der Amplitude des Ausgangssignals bedingt, die in ihrem Zusammenhang mit der Wehentätigkeit nicht ohne weiteres vorhersagbar sind. Die Abhängigkeit der Amplituden der an der Körperoberfläche messbaren elektrischen Aktionspotentiale von Übertragungsweg im Körperinneren, die beispielsweise auch durch Lageänderungen der Schwangeren bedingt sein können, führen bei der Registrierung der Wehenkurve zu einer Verschiebung der Nulllinie. Die Benutzung einer einfachen Amplitudenregelung würde dabei keine Abhilfe schaffen, da hierdurch lediglich eine "Einebnung" der Amplitudenschwankungen, bezogen auf längere Zeiträume, erreicht werden könnte, was aber angesichts der damit verbundenen grossen Zeitkonstanten und der Verfälschungen des Nutzsignals nicht erstrebenswert ist. Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der obengenannten Gattung zu schaffen, die es ermöglicht, die ausgegebenen Wehenkurven von Signalschwankungen zu befreien, die nicht unmittelbar durch mit der Muskelaktivität einhergehenden wechselnden Aktionspotentialen, sondern durch sekundäre Einflüsse hervorgerufen werden. Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass die das maternelle EKG bildenden Signale in ihrer Ausbreitung innerhalb des Körpers in erster Näherung denselben Veränderungen unterworfen sind wie die für die Uterusaktivität ch rakteristischen Signale. Sowohl Änderungen hinsichtlich des Ortes der Ableitung als auch solche, die den Ausbreitungsweg der Signale betreffen, und somit die abzuleitenden Signale beeinflussen, wirken sich auf beide Signale nahezu übereinstimmend aus, so dass das maternelle EKG, und dabei vorzugsweise die R-Zacke, eine Ert Eichsignal für das EINIG bilden kann. Dabei braucht die genaue Variation der Signalübertragungsstrecke im Körperinneren nicht bekannt zu sein. Die unterschiedliche Position des mütterlichen Herzens im Vergleich zum Ort der Herkunft der für die Wehenkurve verantwortlichen Signale spielt überraschenderweise nur eine untergeordnete Rolle. Besonders vorteilhaft ist bei der erfindungsgemässen Einrichtung, dass sie keine zusätzliche Aufmerksamkeit bei der Bedienung erfordert und wegen der relativ grossen Amplitude der maternellen Herzsignale und der sich daraus ergebenden sicheren Regelwirkung eine sichere und unkomplizierte Betriebsweise ermöglicht. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild, welches Aufschluss gibt über die Anordnung der erfindungsgemässen Amplitudenregelung innerhalb einer Vorrichtung zur Registrierung der Uterustätigkeit, Fig. 2 eine detaillierte Schaltung der Amplitudenregelung gemäss Fig. 1 sowie Fign. 3a und 3b eine zeitabhängige Darstellung des Amplitudenverlaufes der mit den Uteruskontraktionen einhergehenden Signalen mit bzw. ohne Amplitudenregelung. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das über Elektroden abdominal abgeleitete elektromyographische Signal einem Vorverstärker 1 zugeführt, wo es in seiner Amplitude soweit hinaufgesetzt wird, dass in den nachfolgenden Stufen die eigentliche Signal verarbeitung vorgenommen werden kann. Das Ausgangssignal des Vorverstärkers 1 gelangt zu einer Amplitudenregelschaltung 2, die nachfolgend näher dargestellt ist. Das in seiner Amplitude beeinflusste Signal wird einem Wehendetektor 3 zugeführt, in dem ein Ausgangssignal erzeugt wird, welches in seinem zeitlichen Verlauf eine die Uteruskontraktionen repräsentierende Amplitude aufweist, wie es im einzelnen in der EP-A1 0 000 504 näher beschrieben ist. Das Ausgangssignal kann auf beliebige Weise visuell dargestellt oder in anderer Weise registriert werden. Die in Fig. 2 dargestellte detaillierte Schaltung der Ausführungsform der Amplitudenregelschaltung 2 in Fig. 1 ermöglicht eine Verstärkungsregelung durch die im Signal selbst auftretenden Spitzenwerte. Die Regelung erfolgt dabei in dem Sinne, dass möglichst die Proportionalität des Ausgangssignals, bezogen auf die verursachenden Ereignisse - d.h. die Uteruskontraktionen - , hergestellt wird. Da das maternelle QRS-Komplexe - und darin. die R-Zacken - die Signale mit der grössten Amplitude innerhalb des Eingangssignalgemisches darstellen, ist es durch Diskrimination bezüglich der auftretenden absoluten Signalspitzen in besonders einfacher Weise möglich, eine Trennung der das llEichsignalfl bildenden Signalanteile von dem übrigen zu verarbeitenden Signalgemisch zu erreichen. Die Operationsverstärker OP 1 und OP 2 entsprechen üblichen Schaltungen, wobei die Widerstände R 1 und R 2 die Eingangswiderstände darstellen und das Vers tärkungsver- hältnis jeweils über den durch einen Widerstand R 3 und einen Feldeffekttransistor T 1 bzw. einen Widerstand R 4 und einen Feldeffekttransistor T 2 gebildeten Spannungsteiler beeinflusst wird. Als Spannungsteiler für die Gate Elektroden T 1 bzw. T 2 dienen Widerstände R 5 und R 6 bzw. R 8 und R 9, wobei die Transistoren T 1 und T 2 ihren Widerstand - innerhalb eines vorgesehen Arbeitsbereichs in Abhängigkeit von der am Ausgang eines Operationsverstärkers OP 3 erscheinenden Spannung verändern, die ihren Eingängen über Widerstände R 7 und R 10 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP 2, das gleichzeitig das Ausgangssignal der Amplitudenregelschaltung 2 in Fig. 1 bildet, wird einem Vollweg-Gleichrichter 4 zugeführt, durch den die Signalspannungsspitzen für die nachfolgende Bearbeitung die gleiche Polarität erhalten. Der Vollweg-Gleichrichter 4 kann ebenfalls durch Operationsverstärker-Schaltungen gebildet werden, wie sie mit der entsprechenden Beschaltung aus der einschlägigen Literatur bekannt sind. Das Ausgangssignal des Vollweg-Gleichrichters 4 gelangt zu einem Schwellwert- Detektor 5 (Schmitt-Trigger), von dem aus die einen vorgegebenen Pegel überschreitenden Signale zu einem Monoflop 6 gelangen, welches durch diese Signale getriggert wird und daraufhin jeweils Ausgangsimpulse vorgegebener Breite abgibt. Die negativen Ausgangs impulse vom Monoflop 6 werden zu einer Diode D 1 und einem veränderlichen Widerstand R 11 ge führt, wodurch ein Kondensator C 1 auf negatives Potential aufgeladen wird. Die Spannung am Kondensator C 1 bildet daher ein Mass für die Spitzenwerte für die am Ausgang des Operationsverstärkers OP 2 erscheinenden Signale. Bei der vorliegenden Anwendung handelt es sich dabei um die Herzsignale des maternellen Elektrokardiogramms. Die Regelung erfolgt dabei so, dass bei vergrösserter Spannung am Kondensator C 1 der als Impedanzwandler geschaltete Operationsverstärker OP 3 über die Transistoren T 1 und T 2 der Verstärkungsfaktor der Operationsverstärkerschaltungen OP 1 und OP 2 herabgesetzt wird, so dass sich daraufhin auch die Amplitude der den Kondensator C 1 aufladenden Impulse vermindert bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist. Ist die Amplitude des maternellen EKGs hingegen zu klein, um den Gleichgewichtszustand aufrecht zu erhalten, wobei keine Impulse am Ausgang des Monoflops 3 erscheinen, wird der Kondensator C 1 über den Widerstand R 12 entladen. Der Verstärkungsfaktor der Operationsverstärker OP 1 und OP 2 wird solange heraufgesetzt, bis die Amplitude der R-Zacken des maternellen Elektrokardiogramms im elektromyographisch aufgenommenen Signal wieder ihren Sollwert erreicht hat. Die Regelung ist ersichtlicherweise nichtlinear, da eine Herabsetzung des Verstärkungsfaktors der Operationsverstärker OP 1 und 2 erst dann hervorgerufen wird, wenn vom Ausgang des Monoflops 6 Impulse abgegeben werden. In ihrem Arbeitsbereich ist der Widerstand R 11 im Hinblick auf die durch den Widerstand R 12 und den Kondensator C 1 gebilde te Zeitkonstante so einzustellen, dass bei einer Verringerung der Amplituden der maternellen QRS-Komplexe der Verstärkungsfaktor ausreichend schnell heraufgesetzt wird, um die notwendige Anpassung an die Veränderungen der Signalausbreitung zu gewährleisten. Bleiben die Amplituden der QRS-komplexe näherungsweise konstant, so wird die Verstärkung der Operationsverstärker OP 1 und 2 mit der Entladung des Kondensators C 1 langsam heraufgesetzt, bis ein Impuls am Ausgang des Monoflops 6 erscheint, worauf sich die Spannung am Kondensator C 1 wieder um einen Differenzbetrag erhöht, so dass die Verstärkung entsprechend herabgesetzt wird. Hierdurch treten periodische Schwankungen des Verstärkungsfaktors auf, die die Messergebnisse jedoch nicht beeinträchtigen, da die maternelle Herzfrequenz gross ist im Vergleich zur Frequenz der Wehenkurven und somit die Schwankungen nicht sichtbar werden. Durch diese Regelung, welche mit einer verhältnismässig steilen Regelkennlinie das Ausgangssignal mit grosser Einstellgeschwindigkeit beeinflusst, wobei die genannten R Zacken ein Bezugs- oder Eichsignal bilden, wird das für die Uterusaktivität repräsentative Signal unabhängig von den bei der Ausbreitung im Körper und der Abnahme der Signale entstehenden Veränderungen so eingestellt, dass die registrierte Amplitude ein zuverlässiges Mass für die Intensität für die Uteruskontraktion darstellt. Die in den Fign. 3a und 3b wiedergegebenen Wehenkurven (Fig. 3a mit Amplitudenregelung und Fig. 3b ohne Amplitudenregelung) zeigen deutlich, welche Verbesserung durch die Erfindung in der Praxis erzielt werden konnte, so da; dem behandelnden Arzt eine Darstellung an die Hand gegeben werden kann, welche ohne mühsame Interpretationen direkten und zuverlässigen Aufschluss über die Wehentätigkeit gibt.

Claims: Patentansprüche 1. Amplitudenregeleinrichtung für elektromyographisch aufgenommene Signale für eine Vorrichtung zur Detektion und Registrierung der Uterusaktivität mittels elektrischer Signale, bei der Mittel vorgesehen sind, um als Mass für intrauterine Druckänderungen die mit Muskelaktivitäten einhergehenden elektrischen Felder elektromyographisch im abdominalen Bereich zu erfassen und auszuwerten, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Amplitudenwerte des maternellen Elektrokardiogramms als Bezugsgrösse für die Amplitudenregelung der ein Mass für die Uterusaktivität bildenden elektromyographisch abgeleiteten Signale dienen. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Amplitudenwerte des maternellen Elektrokardiogramms die R-Zacken ausgewertet werden. 3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Amplitudenregelung durch Veränderung des Verstärkungsfaktors eines Verstärkers (OP 1 und 2) für das elektromyographisch abgeleitete Signal bewirkt wird. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Regelung nichtlinear in der Weise erfolgt, dass eine die Verstärkung herabsetzende Grösse erzeugt wird, wenn die Amplitude der Spitzenwerte des maternellen Elektrokardiogramms eine vorgegebene Schwelle überschreitet. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Schwellwertdetektor 5 vorgesehen ist, dessen Ausgangssignale über eine Zeitkonstante (R 12, C 1) ein Herabsetzen des Verstärkungsfaktors des Verstärkers (OP 1 und 2) bewirken, wenn das dem Schwellwertdetektor 5 zugeführte elektromyographisch abgeleitete Signal eine vorgegebene Schwelle überschreitet.

Inventors: NAGEL, JOACHIM, DIPL.-PHYS. DR.
Applicants: BIOTRONIK MESS- UND THERAPIEGERATE GMBH & CO INGENIEURBURO BERLIN
Application year: 1980
Main classification: A61B5
IPC codes: A61B5, H03G3