DE2131618C3

DE2131618C3 - Device for monitoring the cardiac and respiratory activity of a patient

Info

Publication number: DE2131618C3
Application number: DE19712131618
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Nickel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1971-06-25
Publication date: 1977-04-28

Description

4040

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für die Überwachung der Herz- und Atemtätigkeit eines Patienten, bei der für die Abnahme eines Atemsignals und eines ersten Herzsignals ein gemeinsames, als Rheographie-Elektrode ausgebildetes Abnahmeglied sowie für die A\bnahme eines zweiten Herzsignals ein weiteres Abnahmeglied vorhanden und bei der ein Sinusgenerator als Speisestromgenerator sowie die Atemsignal-Meßeinrichtung an der Rheographie-Elektrode über Kondensatoren und die Meßeinrichtung für die Herzsignale an den Abnahmegliedern über Tiefpässe sowie einen Gleichtaktunterdrücker angeschlossen sind und wobei die Koppelkondensatoren des Sinusgenerators eine Kapazität im pF-Bereich aufweisen.The invention relates to a device for monitoring the cardiac and respiratory activity of a Patients who have a common, as a A pick-up member designed for a rheography electrode and for picking up a second cardiac signal further acceptance element available and with a sinusoidal generator as a supply current generator as well as the Breathing signal measuring device on the rheography electrode via capacitors and the measuring device for the heart signals are connected to the pick-up members via low-pass filters and a common-mode suppressor and the coupling capacitors of the sine wave generator have a capacitance in the pF range.

Es sind Rheographiegeräte mit EKG-Gleiduaktunterdrücker bekannt, bei denen die Rheographie-Elektrode mit aus 15 V-Spannungsimpulsen abgeleiteten Stromimpulsen der Folgefrequenz 60 kHz und mit einem Tastverhältnis von 1 :1 gespeist wird Zur Ankopplung des Speisestromgenerators bzv/. der Atemsignal-Meßeinrichtung an die Rheographie-Elektrode sind ausschließlich Kondensatoren mit einer Kapazität im nF-Bcreich (5 nF) verwendet. Diese kapazitive Ankopplung stellt sicher, daß im Störungsfall auftretende Ableitströme nicht über den Patienten fließen können.They are rheography devices with EKG slip suppressors known in which the rheography electrode with derived from 15 V voltage pulses Current pulses with a repetition frequency of 60 kHz and with a duty cycle of 1: 1 are fed to Zur Coupling of the supply current generator or /. the respiratory signal measuring device to the rheography electrode only capacitors with a capacitance in the nF range (5 nF) are used. This Capacitive coupling ensures that leakage currents that occur in the event of a fault do not pass through the patient can flow.

Nachteilig ist, daß diese hohen Kapazitätswerte erheblich die Eingangskapazität des Gleichtaktunterdrückers vergrößern, wodurch wiederum die Gleichlaktunterdrückung bei den Herzsignalen in erheblichem Maße verschlechtert wird.It is disadvantageous that these high capacitance values significantly increase the input capacitance of the common-mode suppressor, which in turn increases the common-mode suppression is worsened to a considerable extent in cardiac signals.

In der Praxis wurden Versuche unternommen, eine Verkleinerung der Eingangskapazität und damit eine Verbesserung der Gleichtaktunterdrückung dadurch herbeizuführen, daß einerseits kapazitätsarme Tiefpässe verwendet wurden und andererseits gleichzeitig die Kapazität der Ankoppelkondensatoren verkleinert wurde. Es hat sich dabei gezeigt, daß eine geringfügige Absenkung der Eingangskapazität durch entsprechende Dimensionierung der Tiefpässe und damit auch eine geringfügige Verbesserung der Gleichtaktunterdrükkung ohne Schwierigkeiten möglich ist. Eine Kapazitätssenkung der für die Patientensicherheit unbedingt erforderlichen Ankoppelkondensatoren, welche eine weit bedeutendere Beeinflussung der Gleichtaktunter drückung mit sich bringen würde, war jedoch praktisch nicht durchführbar.In practice, attempts have been made to reduce the input capacitance and thus a To bring about improvement of the common mode rejection that on the one hand low-capacitance low-pass filters were used and, on the other hand, the capacitance of the coupling capacitors was reduced at the same time would. It has been shown that a slight lowering of the input capacitance by corresponding Dimensioning of the low-pass filters and thus also a slight improvement in common-mode rejection is possible without difficulty. A capacity reduction for patient safety is essential required coupling capacitors, which have a far more significant influence on the common mode pressure would be impractical, however.

Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß bei einer Verkleinerung der Ankoppelkapazitäten in den pF-Bereich ciie als Träger für die Atemsignalinformation wesentlichen mittleren Frequenzanteile der Speisestromimpulse (in diesem Frequenzbereich bei 5 nF Koppelkapazität optimale absolute Änderung des Trägers bei gerade noch für eine Auswertung ausreichender Trägeramplitude) so stark gedämpft v/erden, daß ihr Informationsinhalt erheblich gemindert wird oder sogar ganz verlorengeht.The reason for this is to be seen in the fact that when the coupling capacitances are reduced in the pF range ciie as a carrier for the respiratory signal information essential mean frequency components of the supply current pulses (in this frequency range with 5 nF coupling capacitance optimal absolute change of the Carrier when the carrier amplitude is just sufficient for an evaluation) so strongly attenuated v / ground that their information content is considerably reduced or even completely lost.

Ein Weg zur Überwindung dieser Schwierigkeiten wäre theoretisch dadurch gegeben, daß bei einer Verkleinerung der Ankoppelkapazitälcn entsprechend die Amplituden der mittleren Frequenzanteiie der Speisestromimpulse angehoben werden, was entweder durch Anheben der Speisestromimpuls-Amplitude oder durch erhebliche Verstärkung der empfangenen Informationen geschehen kann. Eine Erhöhung der Speisestromimpuls-Amplitude ist jedoch aus Gründen der Palientensicherheit praktisch unmöglich (bereits ein verhältnismäßig geringfügiges Anheben der Impulsamplitude bewirkt im allgemeinen eine für die Patientensicherheit nicht mehr vertretbare Verstärkung der hohen Impuls-Frequenzanteile). Der zweite Weg ist nicht praktikabel, weil diese Lösung Verstärker erfordert, welche technisch erheblich aufwendig und damit teuer sind (bei weniger aufwendigen und billigeren Verstärkern geht die Information im Rauschen des Verstärkers unter).One way of overcoming these difficulties would theoretically be given by one Reduction of the coupling capacities corresponding to the amplitudes of the mean frequency components Supply current pulses are raised, either by increasing the supply current pulse amplitude or can be done by significantly amplifying the information received. An increase in the supply current pulse amplitude is, however, practically impossible for reasons of patient safety (already a A relatively slight increase in the pulse amplitude generally has the effect of improving patient safety No longer justifiable amplification of the high pulse frequency components). The second way is not practicable because this solution requires amplifiers, which are technically considerably complex and therefore expensive (with less complex and cheaper amplifiers, the information is contained in the noise of the amplifier under).

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Überwachung der Herz- und Atemtätigkeit anzugeben, welche bei einem Minimum an technischem Aufwand und ohne Gefahr für das Leben de? Patienten eine erhebliche Verbesserung der Gleichtaktunterdrückung bei gleichzeitiger optimaler Atemsignalauswertung gewährleistet.The object of the invention is to provide a device for monitoring cardiac and respiratory activity, which de with a minimum of technical effort and without danger to life? Patient one considerable improvement of the common mode rejection with simultaneous optimal breathing signal evaluation guaranteed.

Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Ankopplung auch der Atemsignal-Meßeinrichtung an die Rheographie-Elektrode Kondensatoren mit einer höchsten im pF-Bereich liegenden Kapazität verwendet sind und die Eingangskapazität der Tiefpässe für die Ankopplung der Herzsignal-MeQeinrichtung nebst zugehörigem Gleichtaktunterdrückter höchsten im niedrigeren nF-Bereich liegt.The object is achieved with a device of the type mentioned according to the invention in that for Coupling of the respiratory signal measuring device to the rheography electrode with capacitors highest capacitance lying in the pF range are used and the input capacitance of the low-pass filters for the Coupling of the heart signal measuring device together with the associated common mode suppressed maximum im lower nF range.

Die Erfindung geht nun aus von einem Herz- und Atemkontrollgerät mit Sinusgenerator als Speisestrom-The invention is based on a heart and breath monitoring device with a sinus generator as a feed current

erzeuger, der nil einer einzigen, im kHz-Bereich liegenden Speisestromfrequenz arbeitet, d. h. nicht mii einer Vielzahl von Frequenzen, wie sie sich beim Irrpulsbetrieb ergeben. Bei einem solchen Gerät, wie es beispielsweise durch die US-PS 33 47 223 vorbekannt ist, besteht zwar die Möglichkeit, ohne Gefahr für den Patienten die jeweilige Bedämpfung uer Betriebsfrequenz durch die Koppelkapazitäten durch entsprechendes Anheben der Sinusamplitude auszugleichen, deswegen, weil nur noch mit einer einzigen Frequenz gearbeitet wird; das Gerät nach der US-PS 33 47 223 umfaßt jedoch kein EKG-Abnahmesyste.Ti, das im Zusammenhang mit einer rheographischen Atemsignalabnahme auch gleichzeitig optimale: Gleichtaktunterdrückung der EKG-Signale gewährleistet. Diese Maßnähme, also optimale Gleichtaktunterdrückung bei gleichzeitig gefahrloser Entdämpfung der Speisestromaniplitude ohne Störeinflüß auf die rheographische Atemsignalabnahme, wird erst durch die Kombination sämtlicher kennzeichnender Merkmale vorliegender Erfindung im Zusammenhang mit dem an sich aus der US-PS 33 47 223 vorbekannten Sinusgenerator als Speisestromerzeuger erreicht. In der US-PS ist die Verbesserungsbedürftigkeit bzw. Verbesserungsmöglichkeit einer Gleichtaktunterdrückung bei Systemen zur gleichzeitigen Herz- und Atemsignalabnahme weder diskutiert noch angedeutet. Da also dieser Druckschrift noch nicht einmal die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung entnehmbar ist. hatte auch der Fachmann von vornherein 3c keinen Anlaß, aus dieser Druckschrift Anregungen in Richtung auf den Erfindungsgegenstand zu entnehmen.generator that works nil a single supply current frequency lying in the kHz range, d. H. not mii a variety of frequencies, as they result from the Irrpulsbetrieb. With such a device as it For example, from US-PS 33 47 223 is already known, there is indeed the possibility without danger to the The respective attenuation of the operating frequency to compensate for by the coupling capacities by increasing the sinus amplitude accordingly, therefore, because only one frequency is used; the device according to US-PS 33 47 223 does not include, however, an EKG Abnahmesyste.Ti that is related to a rheographic respiratory signal decrease also optimal at the same time: common-mode rejection of the ECG signals guaranteed. These measures thus optimal common-mode rejection with at the same time safe undamping of the feed current amplitude without interfering with the rheographic respiratory signal decrease, it is only through the combination all characterizing features of the present invention in connection with the per se from US-PS 33 47 223 previously known sine wave generator achieved as a feed current generator. In the US PS it is Need for improvement or improvement possibility of common mode rejection in systems for the simultaneous decrease in heart and respiratory signals neither discussed nor indicated. So there this one The document does not even reveal the problem on which the present invention is based is. Even the skilled person had no reason from the outset to take suggestions from this publication in In the direction of the subject matter of the invention.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung beträgt die Frequenz des Sinusgenerators annähernd 60 kHz. Bei dieser Frequenz besitzt die relative Amplitudenänderung ein Maximum (5%o bei einer rheographischen Widerstandsänderung von ±0,5 Ohm und einem vorausgesetzten theographischen Widerstand von 1 kOhm). Eine optimale absolute Änderung bei gleichzeitig optimaler Gleichtaktunterdrückung (ca. 50 dB an Stelle von bisher ca. 30 dB) wird erreicht, wenn bei einer Sinusamplitude von ca. 75 V Kondensatoren mit einer Kapazität von 22 pF verwendet sind. Die Eingangskapazität der Tiefpässe beträgt dabei annähernd 1,5 η F.In an advantageous embodiment of the invention, the frequency of the sine generator is approximately 60 kHz. At this frequency, the relative change in amplitude has a maximum (5% o for a rheographic resistance change of ± 0.5 ohms and a presupposed theographic resistance of 1 kOhm). An optimal absolute change with optimal common mode rejection (approx. 50 dB instead of the previous approx. 30 dB) is achieved when capacitors have a sinusoidal amplitude of approx. 75 V. with a capacity of 22 pF are used. The input capacity of the low-pass filters is approximately 1.5 η F.

An Hand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und reine Wirkungsweise erläutert.An exemplary embodiment of the invention and its pure mode of operation is described with reference to the drawing explained.

In der Figur ist mit 1 eine Rheographie-Elektrode für die Abnahme eines Atemsignals und eines Herzsignals und mit 2 eine EKG-Elektrode lediglich für die Abnahme eines weiteren Herzsig.nals bezeichnet. Die Elektrode 3 stellt die gemeinsame inaktive Elektrode für die beiden Elektroden 1 und 2 dar.In the figure, 1 is a rheography electrode for the acceptance of a breathing signal and a heart signal and with 2 an EKG electrode only for the Acceptance of a further heart signal called. The electrode 3 represents the common inactive electrode for the two electrodes 1 and 2.

An der Elektrode 1 ist über einen 22 pF-Kondensator 4 ein (75 V, 60 kHz)-Sinusgenerator 5 als Speisestrom· geneiator für die Rheographie-Elektrode I und über einen weiteren 22 pF-Kondensator 6 die aus einem Hochfrequenzverstärker 7, einer Gleichrichterancrdnung 8, einem Demodulationstiefpa!¹! 9 sowie einer Anzeigevorrichtung 10 besiehende Meßeinrichtung für die Atemsignale angeschlossen.A (75 V, 60 kHz) sine wave generator 5 is connected to the electrode 1 via a 22 pF capacitor 4 as a supply current generator for the rheography electrode I and via a further 22 pF capacitor 6 that consists of a high-frequency amplifier 7, a rectifier arrangement 8, a demodulation low pa! ¹ ! 9 and a display device 10 related measuring device for the respiratory signals connected.

Die Elektroden 1 bis 3 sind ferner über aus Induktivitäten 11 sowie Kapazitäten 12 bestehende Tiefpässe 13, 14 sowie einem Gleichtaktunterdrükkungsverstärker 15 (Differenzverstärker) mit der Meßeinrichtung 16 für die Herzsignale (Elektrokardiograph) verbunden. Die Eingangskapazität der Tiefpässe beträgt 1,5 nF, ihre obere Grenzfrequenz ca. 1 kHz.The electrodes 1 to 3 are also made up of inductances 11 and capacitors 12 Low-pass filters 13, 14 and a common mode suppression amplifier 15 (differential amplifier) with the Measuring device 16 for the heart signals (electrocardiograph) connected. The input capacity of the low-pass filters is 1.5 nF, its upper limit frequency approx. 1 kHz.

Die Wirkungsweise der Erfindung ergibt sich wie folgt:The mode of operation of the invention is as follows:

Der von dem Generator 5 erzeugte sinusförmige Speisestrom wird am Patientenkörper mit den Atemsignalen amplitudenmoduliert. Das ampliiudenmodulicrte Signal (Elektrodensignal) wird im Hochfrequenzverstärker 7 der Meßeinrichtung für die Atemsignale verstärkt, in der Gleichrichteranordnung 8 gleichgerichtet, im Demodulationstiefpaß 9 demoduliert und die so erhaltenen Atemsignale werden an der Anzeigevorrichtung 10 angezeigt.The sinusoidal feed current generated by the generator 5 is transmitted to the patient's body with the breathing signals amplitude modulated. The amplitude-modulated signal (electrode signal) is used in the high-frequency amplifier 7 amplified the measuring device for the breathing signals, rectified in the rectifier arrangement 8, demodulated in the demodulation low-pass filter 9 and the breathing signals thus obtained are shown on the display device 10 displayed.

Die anfallenden EKG-Signale gelangen über die Tiefpässe 13, 14 (/um Absperren d.-r hochfrequenten Elektrodensignale; und über den Gleichtaktunterdrücker 15 zur EKG-Anzeige 16.The resulting EKG signals pass through the low-pass filters 13, 14 (/ to shut off d.-r high-frequency Electrode signals; and via the common mode suppressor 15 to the EKG display 16.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel gewährleistet eine rheographische Spannung am Patientenkörper von insgesamt 1 V_ss mit einer relativen Änderung der Elektrodensignale von ca. 5%o bei dem vorausgesetzten rheographischen Patientenwiderstand von 1 kOhm. Die Gleichtaktunterdrückung für das EKG beträgt dabei ca. 5OdB.The exemplary embodiment described ensures a rheographic voltage on the patient's body of a total of 1 V _pp with a relative change in the electrode signals of approximately 5% for the assumed rheographic patient resistance of 1 kOhm. The common mode rejection for the EKG is approx. 5OdB.

Die Verwendung kleiner Koppelkapazitäten 4, 6 hat nicht nur den Vorteil einer erheblich verbesserten Gleichtaktunterdrückung; die auf Grund der niedrigen Kapazitätswerte dieser Kondensatoren sowie der verhältnismäßig niedrigen Frequenz des Sinusgenerators bedingten verhältnismäßig hohen kapazitiven Widerstände dienen gleichzeitig als stromeinprägende Widerstände für den sinusförmigen Trägerstrom. Auf zusätzliche stromeinprägende ohmsche Widerstände, wie sie bei den bisher bekannten GerätPii erforderlich waren, kann daher verzichtet werden.The use of small coupling capacitances 4, 6 not only has the advantage of being considerably improved Common mode rejection; due to the low capacitance values of these capacitors as well as the relatively low frequency of the sine wave generator due to relatively high capacitive Resistors also serve as current impressing resistances for the sinusoidal carrier current. on additional current-impressing ohmic resistors, as required with the previously known DevicePii can therefore be dispensed with.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims

1. Device for monitoring the cardiac and respiratory activity of a patient, in which for Absorption of a breathing signal and a first heart signal, a common one, as a rheography electrode trained acceptance member and for the acceptance of a second cardiac signal em further Acceptance element available and with a sinusoidal generator as a supply current generator and the breathing signal measuring device on the rheography flectrode via capacitors and the measuring device for the Heart signals connected to the pick-up links via low-pass filters and a common-mode sub-button and the coupling capacitors of the sine wave generator have a capacitance in the pF range have, characterized in that for coupling the breathing signal measuring device (7 to 10) to the rheography electrode (1) Capacitors (4, 6) with a maximum capacitance in the pF range ..egenden capacitance are used and the input capacitance of the low-pass filters (13, 14) for the coupling of the cardiac signal measuring device (16) together with the associated common mode suppressor (15) is at most in the low nF range.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that at a frequency of the sine generator (5) in the range from 30 to 100 kHz, the capacitance of the coupling capacitors (4, 6) in the range from 20 to 100 pF and the input capacitance of the low-pass filters (13, 14) is at most approximately 1.5 nF.

3. Device according to claims 2, characterized in that with a 60 kHz sine generator (5) with a sine amplitude of approx. 75 V and an input capacitance of the low-pass filters (13, 14) of 1.5 nF Coupling capacitors (4.6) with a capacity of 22 pF are used.