E.C.G. AMPLIFIER CIRCUIT

Abstract: 1. E.C.G. amplifier circuit with direct current suppression by means of a first RC high pass filter network between a preamplifier and a subsequent amplifier, characterized by the following features : a) A second capacitor (C2 ) is connected in parallel to the series circuit consisting of the capacitor (C1 ) and the resistor (R1 ) of the first RC high pass filter network (R1 , C1 ) ; b) the series circuit consisting of an inverting feedback amplifier (A4 ) and a resistor (R2 ) is connected between the output of the subsequent amplifier (A3 ) and the junction between the second capacitor (C2 ) and the resistor (R1 ) of the first RC network (R1 , C2 ).

Description: EKG-Verstärkerschaltung Die Erfindung bezieht sich auf eine EKG-Verstärkerschaltung mit Gleichstromunterdrückung durch ein PvC- Hochpassglied zwischen Vorverstärker und Endverstärker. Bei Verwendung eines einzigen RC-Gliedes dieser Art entspricht die Ausgangsspannung des EKG-Verstärkers als Antwort auf eine Sprungfunktion am Verstärkereingang einer Exponentialfunktion. Einerseits soll die Zeitkonstante des RC-Gliedes möglichst gross gewählt sein, damit das EKG-Signal unverzerrt dargestellt wird. Bei zu kleiner Zeitkonstante werden die flachen Wellen des EKG < P-,T- und S-Welle) abgeflacht. Andererseits führt aber eine grosse Zeitkonstante dazu, dass langsame Schwankungen der Elektrodenkontakt-Potentiale (Offset Spannung) nicht mehr ausgeglichen werden, und sich in der Aufzeichnung des EKG als störende Basislinienschwankung darstellen. Bei einer grossen Zeitkonstanten dauert es ausserdem lange, bis die Basislinie des EKG wieder in die Nullage zurückkehrt, wenn infolge einer Störung, z.b.infolge Bewegung des Patienten oder Defibrillation eine Potentialänderung aufgetreten ist. Um beiden Anforderungen, d.h. dem Wunsch nach Verzerrungsfreiheit des dargestellten EKG-Signals und geringer Basislinienschwankung gerecht zu werden ist zu berücksichtigten, dass das eigentliche EKG Signal stets nach relativ kurzer Zeit wieder zur Nulllinie zurückkehrt. Die P- und T-Wellendauer beträgt maximal 300ms. Aufgabe der Erfindung ist es, eine EKG-Verstärkerschaltung zu finden, welche diesen sich teilweise widersprechenden Anforderungen besser gerecht wird, als die mit einem RC-Hochpassglied erzielte Sprungantwort in Form einer Exponentialfunktion. Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Die Ubertragungsfunktion einer solchen Verstärkerschaltung hat die Eigenschaft, dass als Sprungantwort das Ausgangssignal dem Eingangssignal zunächst während o,3s nahezu unverändert folgt, anschliessend jedoch auch bei einem länger anstehenden Eingangssignal rasch zur Nullinie zurückkehrt. Anstelle des bekannten RC-Hochpassgliedes wird hier ein RC-Filter zweiter Ordnung eingesetzt, wobei zu bemerken ist, dass auch Filter höherer Ordnung verwendet werden können, deren Impulsantwort die zuvor erwähnten Eigenschaften noch ausgeprägter aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen wiedergegebenen Ausführungsbeispieles erläutert. Dabei zeigt Fig.1 schematisch das Blockschaltbild einer herkömmlichen EKG-Verstärker schaltung; Fig.2a eine Sprungfunktion als Eingangs spannung ui in Abhängigkeit von der Zeit t; Fig. 2b die entsprechende Ausgangsspannung u0 am Ausgang der Schaltungsan ordnung gemäss Figur 1; Fig.2 c den gewünschten Spannungsverlauf u in Abhängigkeit von der Zeit; Fig.3 Ausführungsbeispiel einer Schal tungsanordnung zur Erzielung eines solchen Verlaufs der Ausgangs spannung u beim Anlegen einer Sprungfunktion ui an deren Eingang. Die bekannte Schaltungsanordnung nach Figur 1 besteht aus einem Differential-Vorverstärker A1, einem RC-Hochpassglied mit Kondensator C und Widerstand R, sowie einem Gleichstromverstärker A2. Legt man an die Eingangsklemmen des Vorverstärkers A1 eine Spannung vor; Verlauf gemäss Figur 2a, so entsteht am Ausgang des Gleichstromverstärkers A2 infolge der differenzierenden Wirkung des RC-Gliedes zunächst ein Spannungssprung;an den sich im Zuge der Entladung des Kondensators C über den Widerstand R ein exponentiell abklingender Spannungsverlauf gemäss Figur 2b anschliesst. Ein solcher Spannungsverlauf hat bei EKG-Verstärkern aus den eingangs genannten Gründen gewisse Nachteile, weshalb für solche und ähnlichen Bedingungen unterworfene Verstärkerschaltungen ein Spannungsverlauf u (t) gemäss Figur 2c angestrebt wird. Er folgt dem Eingangssprungu i über etwa 0,3s und klingt dann wesentlich schneller als die Exponentialkurve gemäss Figur 2b nach Null hin ab. In Figur 3 ist anstelle des einfachen RC-Hochpassgliedes von Figur 1 ein RC-Filter F zweiter Ordnung zwischen die Verstärker A1 und A2 eingeschaltet. Dabei kann die Funktion des Gleichstromverstärkers A2 durch einen im Filter F vorhandenen Operationsverstärker A3 mit übernommen werden. Der Gleichstromverstärker A2 ist deshalb nur gestrichelt dargestellt und kann in der Praxis entfallen. Das Filter F enthält wiederum ein RC-Hochpassglied bestehend aus Kondensator C1 und Widerstand R1, welches zwischen den Vorverstärker A1 und den Operationsverstärker A3 eingeschaltet ist. Der Fusspunkt des Widerstands R1 liegt hier nicht an Masse, sondern er ist über einen Widerstand R2 an den Ausgang eines Rückführverstärkers A4 angeschlossen, dessen invertierender Eingang 2 über die Reihenschaltung zweier Widerstände R3 und R5 an den Ausgang des Operationsverstärkers A3 angeschlossen ist. Zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände R1 und R2 und dem Ausgang des Vorverstärkers R1 liegt ferner ein zweiter Kondensator C2. Der Widerstand R3 ist zugleich als Rückführwiderstand zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers A3 geschaltet, während dem Operationsverstärker A4 hierzu ein besonderer Rückführwiderstand R4 zugeordnet ist. Die Widerstände R6 und m7 dienen zum Offset Abgleich der beiden Operationsverstärker. Zunächst sei angenommen, dass der Operationsverstärker A3 als Einheitsverstärker einen Spannungsverstärkungsfaktor "1" hat und eine unendlich hohe Eingangsimpedanz aufweist. Unter dieser Voraussetzung entfallen die Widerstände R3 und R5 zwischen Ausgang des Verstärkers A3 und invertierendem Eingang 2 des Operationsverstärkers Aa. Der Operationsverstärker A4 im Rückführzweig hat einen Verstärkungsfaktor -g. Damit lässt sich für das aus den Widerständen R1 und R2, den Kondensatoren C1 und C2, sowie den Operationsverstärkern A3 und A4 bestehende Filternetzwerk die folgende Differentialgleichung für die Ausgangsspannung u in Abhängigkeit von der Eingangsspannung u1 aufzustellen: R1C1R2C2 ü + (R2C2 + R2C1 + R1C1) ú + (g + 1) u = =(R1C1 + R2C1 + R2C2) #1 + R1C1R2C2 ü1 (1 Ist ui eine Sprungfunktion gemäss Fig.1a, so gilt: : ssl = O für t < 0, ul = u5 für t > 0 u1 = ül = 0 für t # 0 und die Differentialgleichung 1 lautet, wenn man noch R1C1 = #1, R2C2 = #2 und R2C1 = g12 setzt: EMI5.1 schreibt sich die Differentialgleichung wie folgt: ü + 2a. # + wo 2 # u = 0 (3) Dies ist die Differentialgleichung einer gedämpften Schwingung. Damit das Ausgangssignal nach einem Eingangsspannungssprung möglichst rasch wieder zur Nullinie zurückkehrt, muss die Schwingung aperiodisch gedämpft sein. Die Bedingung für aperiodische Dämpfung lautet: a2 - wo 2 = 0 wählt man als Spezialfall:R1 = R2 und C1 = C2, so wird mit 1 2 = t12 = L = EMI5.2 Die Lösung der Differentialgleichung für diesen aperiodischen Fall lautet: EMI6.1 Die Integrationszeitkonstanten K1 und K2 bestimnBn sich aus den Anfangsbedingungen. Unmittelbar nach dem Spannungssprung (t=0) gilt: u=u5 und u=O. Damit wird K1 = u5 und K2 3 . u5 EMI6.2 Wie bereits erwähnt, übernimmt der Operationsverstärker A3 zugleich die Aufgabe des Gleichstronverstärkers A2 der bekannten Schaltungsanordnung gemäss Fig. 1 und hat deshalb nicht einen Verstärkungsgrad "1" sondern beispielsweise einen Verstärkungsfaktor 20. Folglich wird die Rückführspannung von seinem Ausgang 6 dem Rückführverstärker A4 nicht unmittelbar sondern über die Widerstände R3 und R5 zugeführt. Die Schaltungsansordnung gemäss Figur 3 zeigt ferner zwei Kontakte S1 und S2,bei deren Schliessen die Kondensatoren C1 und C2 schnell entladen werden. Damit wird die Ausgangsspannung augenblicklich auf die Nullinie zurückgeführt. Die beiden Schalter können von Hand mit Hilfe einer Taste betätigt werden, oder auch automatisch beim Umschalten der EKG-Ableitungen oder wenn die Ausgangsspannung einen gewissen Schwellwert überschreitet. In der Praxis kann es vorteilhaft sein, wenn die Schwingung etwas weniger als aperiodisch gedBgft ist. Die Sprungant wort hat dann stets nach einer bestimmten Zeit eine Null stelle. Der Zeitpunkt des Nulldurchgangs ist unabhängig von der Amplitude des Sprunges. Man erreicht damit, dass das Signal auch nach einer starken Störung rasch wieder in den Nullinienbereich zurückkehrt und damit auf einem Bildschirm oder einem EKG-Schreiber wieder sichtbar wird. Dies ist dann von Bedeutung, wenn ein Patientdefibrilliert wurde und anschliessend das EKG weiterhin sichtbar aufgezeichnet werden soll. Voraussetzung ist, dass ein Uberschwingen so klein gehalten wird, dass das Anzeigesignal den Aufzeichnungsbereich nicht sofort wieder verlässt. Die Lösung der Differentialgleichung (3) für den Fall einer gedämpften harmonischen Schwingung lautet: EMI7.1 Mit der Anfangsbedingung u = 0 und u = u5 für t = 0, bestimmen sich die Integrationskonstanten zu a K1 = U5 K2 = aus womit sich Gleichung (6) wie folgt schreibt: EMI7.2 Setzt man hier z.B. R, = R2C2 = r = 1,255 und g = 2, so folgt EMI7.3 EMI8.1 Diese Funktion hat ihre erste Nullstelle bei t = 3,78 Sekunden. Das maximale Überschwingen tritt bei t = 4,53s auf und nimmt den Wert u = -0,0044 u5 an.

Claims: Patentansprüche: 1. EKG-Verstärkerschaltung mit Gleichstromunterdrückung durch ein RC-Hochpassglied zwischen Vorverstärker und Folgeverstärker, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Merkmale: a) der Reihenschaltung von Kondensator (C1) und Wider stand (R1) des ersten RC-Hochpassgliedes (R1,C1) ist ein zweiter Kondensator (C2) parallel ge schaltet; b) die Reihenschaltung eines Rückführverstärkers (A4) und eines Widerstandes (R2) ist zwischen den Aus gang des Folgeverstärkers (A3) und den Verbindungs punkt von zweitem Kondensator (C2) und Widerstand (R1) des ersten RC-Gliedes (R1,C1) eingeschaltet. 2.Schaltungsanordnung 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 Folge- und Rück führverstärker (A3,A4) als Operationsverstärker ausgebildet sind. 3.Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Folgever stärker (A3) zugleich als Endverstärker (A2) wirksam und sein Ausgang (6) über einen Spannungsteiler (R3,R5) an den invertierenden Eingang (2) des Rückführ verstärkers (A4) angeschlossen ist. 4.Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine solche Dimensionierung der Komponenten der die beiden Kondensatoren (C1,C2), die beiden Widerstände (R1,R2) sowie den Folgeverstärker (A3) und den Rückführver stärker (A4) umfassenden Filterschaltung (F), dass das Ausgangssignal (u) als Antwort auf ein Eingangs Sprungsignal (ui) eine aperiodisch gedämpfte Schwingung ist. 5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine solche Dimensionierung der Komponenten der die beiden Kondensatoren (C1,C2), die beiden Widerstände (R1,R2) sowie den Folgeverstärker (A3) und den Rückführver stärker (A4) umfassenden Filterschaltung (F), dass das Ausgangssignal (u) als Antwort auf ein Eingangs Sprungssgnal (ui) eine unteraperiodisch gedämpfte Schwingung ist. 6. Schaltungsanordnunq nach Anspruch 5, g e k e n n z e i c h n et durch je einen Endladeschalter (S1,S2) für jeden der beiden Kondensatoren (C1,C2).

Inventors: PEYER, CHRISTOPH
Applicants: HONEYWELL MEDICAL ELECTRONICS B.V.
Application year: 1982
Main classification: A61B5
IPC codes: A61B5, H03F1, H03H11