DE19626353A1 - Signaldetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Signaldetektor zur Detektion von Signal komplexen, insbesondere zur Detektion von QRS-Komplexen in einem Elektrokardiogramm, gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Die Detektion von QRS-Komplexen in einem EKG-Signal erfolgt im einfachsten Fall durch Vergleich des EKG-Signals mit ei­ nem vorgegebenen Schwellwert, der zwischen dem Pegel der Störsignale und dem Pegel der QRS-Komplexe liegt. Über­ schreitet das EKG-Signal den Schwellwert, so wird dies als Detektionsereignis gewertet.

Problematisch hierbei ist, daß das Signalniveau des EKG-Signals Schwankungen unterliegt, was zu Fehldetektionen führen kann.

Dem begegnet der aus der US-PS 5 339 820 bekannte Signalde­ tektor, indem die Detektionsempfindlichkeit automatisch eingestellt wird. Hierzu startet der Signaldetektor bei ei­ nem Detektionsereignis eine Refraktärzeit, innerhalb derer keine weiteren Detektionsereignisse stattfinden können, um zu verhindern, daß ein einzelner QRS-Komplex fälschlicher­ weise mehrfach detektiert wird. Darüber hinaus ermittelt der Signaldetektor während der Refraktärzeit die Amplitude des QRS-Komplexes, um den Schwellwert anschließend entspre­ chend anpassen zu können. Nach Ablauf der Refraktärzeit wird der Schwellwert des Signaldetektors dank in Abhängig­ keit von der zuvor ermittelten Amplitude des QRS-Komplexes auf einen neuen Wert angehoben. Zum einen wird hierdurch erreicht, daß der Schwellwert bei jedem Detektionsereignis an das Signalniveau des EKG-Signals angepaßt wird. Zum an­ deren wird auf diese Weise sichergestellt, daß die kurz nach einem QRS-Komplex auftretenden Signalartefakte unter­ halb des Schwellwerts liegen und deshalb nicht fehldetek­ tiert werden.

Anschließend wird der Schwellwert dann stufenweise herun­ tergefahren, um auch QRS-Komplexe mit geringer Amplitude detektieren zu können. Das Herunterfahren des Schwellwerts wird beendet, wenn entweder der nächste QRS-Komplex detek­ tiert wird oder der Schwellwert einen vorgegeben unteren Grenzwert erreicht, der sicherstellt, daß der Signaldetek­ tor keine Stör- oder Rauschsignale detektiert.

Der vorbekannte Signaldetektor paßt die Detektionsempfind­ lichkeit also automatisch an den Signalpegel des EKG-Signals an, was insbesondere bei Eingangssignalen mit schwankendem Signalpegel vorteilhaft ist.

Oftmals betreffen die Schwankungen des Eingangssignals je­ doch nicht nur das Nutzsignal, sondern auch die Störsigna­ le. In einem derartigen Fall kann es vorkommen, daß der vorbekannte Signaldetektor den Schwellwert unter den Pegel der Störsignale absenkt, was zu Fehldetektionen führt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Signaldetektor der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine automatische Anpassung der Detektionsempfindlichkeit ermöglicht und dabei eine Fehldetektion von Störsignalen auch bei schwankendem Signalpegel des Eingangssignals ver­ meidet.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, bei einem Detektionsereignis die Amplitude des QRS-Komplexes zu er­ mitteln, um die Detektionsempfindlichkeit in Abhängigkeit davon zu herabzusetzen und anschließend die Detektionsemp­ findlichkeit wieder heraufzufahren, bis ein weiterer QRS-Komplex detektiert wird oder die Detektionsempfindlichkeit einen oberen Grenzwert erreicht, der von der Amplitude des vorangegangenen QRS-Komplexes abhängt. Die Detektionsemp­ findlichkeit kann hierbei zum einen durch eine Änderung der Eingangsverstärkung und zum anderen durch eine Änderung des Schwellwerts eingestellt werden.

Die Detektion eines Signalkomplexes - beispielsweise eines QRS-Komplexes - in dem Eingangssignal erfolgt bei dem er­ findungsgemäßen Signaldetektor vorzugsweise - wie zuvor be­ schrieben - indem das Eingangssignal mittels einer Verglei­ chereinheit mit dem in einem ersten Speicherelement - im folgenden als Schwellwertspeicher bezeichnet - abgelegten Schwellwert verglichen wird. Überschreitet das Eingangs­ signal den Schwellwert, so wertet der Signaldetektor dies als Detektionsereignis und gibt ein entsprechendes Detekti­ onssignal aus.

Der Begriff Eingangssignal ist hierbei und im folgenden allgemein zu verstehen und umfaßt unter anderem sämtliche elektrischen Signale, die eine beliebige biologische Zu­ standsgröße widerspiegeln. Vorzugsweise ist das Eingangs­ signal jedoch das über die Elektroden eines implantierten Herzschrittmachers abgenommene EKG-Signal, in dem die von spontanen Herzaktionen herrührenden QRS-Komplexe detektiert werden.

Die Begriffe Eingang und Ausgang bzw. Eingangssignal und Ausgangssignal bedeuten hierbei nicht, daß der erfindungs­ gemäße Signaldetektor notwendigerweise ein eigenständiges Gerät ist, das lediglich zum Datenaustausch mit anderen Ge­ räten verbunden ist. Der erfindungsgemäße Signaldetektor eignet sich vielmehr auch zur Integration in andere Geräte, wie beispielsweise einen implantierbaren Herzschrittmacher. In diesem Fall können Eingang und Ausgang Bestandteil einer rein softwaremäßig realisierten Datenschnittstelle sein.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Vergleichereinheit ein Sperrglied nachgeschaltet, das innerhalb eines vorgegeben Zeitraums - im folgenden als Re­ fraktärzeit bezeichnet - die Abgabe weiterer Detektions­ signale sperrt und hierdurch die Mehrfachdetektion eines einzelnen Signalkomplexes verhindert. Bei der Detektion von QRS-Komplexen in einem intrakardial abgenommenen EKG-Signal hat sich hierbei eine Refraktärzeit von 121 ms als beson­ ders vorteilhaft erwiesen.

Darüber hinaus erhöht der erfindungsgemäße Signaldetektor mittels einer ersten Regelschaltung im Anschluß an ein De­ tektionsereignis den Schwellwert, um eine nachfolgende Fehldetektion beispielsweise einer T-Welle zu verhindern. Die Erhöhung des Schwellwerts wird hierbei an die Amplitude des zuvor detektierten Signalkomplexes gekoppelt, um den Schwellwert an das Signalniveau des Eingangssignals anzu­ passen. Die erste Regelschaltung weist deshalb Mittel auf, um den innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums - im folgen­ den auch als Meßzeitraum bezeichnet - nach dem Erscheinen des Detektionssignals auftretenden Maximalwert des Ein­ gangssignals zu bestimmen. Hieraus wird dann der erhöhte Schwellwert berechnet und in den Schwellwertspeicher ge­ schrieben. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Schwellwert bei einem Detektionsereignis jeweils auf die Amplitude des detektierten Signalkomplexes angehoben, je­ doch ist es auch möglich, den Schwellwert auf einen anderen Funktionswert der Amplitude zu erhöhen. Entscheidend ist lediglich, daß der Schwellwert an die Amplitude des zuvor detektierten Signalkomplexes angepaßt wird.

Der Meßzeitraum, innerhalb dessen der Maximalwert des Ein­ gangssignals bestimmt wird, liegt hierbei innerhalb der Re­ fraktärzeit und muß hinreichend groß sein, um einen voll­ ständigen Signalkomplex zu umfassen. Bei der Detektion von QRS-Komplexen in einem EKG-Signal hat sich ein Meßzeitraum mit einer Dauer von 86 ms als geeignet erwiesen.

Der Maximalwert des detektierten Signalkomplexes dient je­ doch nicht nur zur Berechnung des neuen erhöhten Schwell­ werts, sondern wird darüber hinaus in ein zweites Speicher­ element - im folgenden als Amplitudenspeicher bezeichnet - geschrieben, um hieraus einen Grenzwert berechnen zu kön­ nen, bei dem das anschließende Herunterfahren des Schwell­ werts beendet wird, um ein Absinken des Schwellwerts unter den Pegel von Störsignalen zu verhindern, da dies zu Fehl­ detektionen würde.

Nach dem Meßzeitraum wird der Schwellwert dann mittels ei­ ner zweiten Regelschaltung heruntergefahren. Hierzu weist die zweite Regelschaltung eine Recheneinheit auf, die je­ weils aus dem aktuellen Schwellwert einen entsprechend ver­ ringerten Schwellwert berechnet und in den Schwellwertspei­ cher einschreibt.

Gemäß einer vorteilhaften Variante der Erfindung erfolgt das Herunterfahren des Schwellwerts stufenweise gesteuert durch einen Taktgeber, indem die Recheneinheit bei jedem Impuls des Taktgebers aus dem aktuellen Schwellwert einen neuen Schwellwert berechnet und in das erste Speicherele­ ment schreibt. Bei der Detektion von QRS-Komplexen in einem EKG-Signal hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Schwellwert in Zeitabständen von jeweils 82 ms bei einer Messung im Atrium bzw. 125 ms bei einer Messung im Ventri­ kel herabzusetzen. Die Zeiträume, nach denen jeweils eine Verringerung des Schwellwerts erfolgt, müssen jedoch nicht notwendigerweise konstant sein. Vielmehr ist es bei einem stufenförmigen Herunterfahren des Schwellwerts oftmals vor­ teilhaft, die Breite der Stufen an die Amplitude des voran­ gegangenen Signalkomplexes anzupassen, um den Schwellwert nach einem "starken" Signalkomplex von dem relativ hohen Ausgangswert schnell wieder herunterfahren zu können, wäh­ rend der Schwellwert nach einem "schwachen" Signalkomplex nur langsam wieder heruntergefahren werden muß.

Die Berechnung des neuen Schwellwerts kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die Recheneinheit den aktuellen Schwellwert um einen vorgegebenen Betrag dekrementiert. Be­ sonders vorteilhaft erfolgt die Berechnung jedoch in der Weise, daß der aktuelle Schwellwert zur Berechnung des neu­ en Schwellwerts jeweils mit einem vorgegebenen Faktor mul­ tipliziert wird. Auf diese Weise läßt sich ein schnelles Herunterfahren des Schwellwerts erreichen, was insbesondere dann wichtig ist, wenn vereinzelt Signalkomplexe mit beson­ dere großer Amplitude auftreten, damit die Detektionsemp­ findlichkeit zur Detektion des folgenden Signalkomplexes mit normaler Amplitude ausreicht.

Die erste Regelschaltung erhöht also den Schwellwert im An­ schluß an ein Detektionsereignis, während die zweite Regel­ schaltung den Schwellwert anschließend wieder herunter­ fährt. Die Steuerung der beiden Regelschaltungen erfolgt in dem erfindungsgemäßen Signaldetektor durch eine Steuerein­ heit, die eingangsseitig mit der Vergleichereinheit verbun­ den ist und beim Erscheinen des Detektionssignals für einen vorgegebenen Zeitraum die erste Regelschaltung aktiviert und die zweite Regelschaltung inaktiviert. Hierdurch wird erreicht, daß stets nur eine Regelschaltung arbeitet.

Das Herunterfahren des Schwellwerts wird somit beim näch­ sten Detektionsereignis beendet, also wenn das Eingangssig­ nal den Schwellwert übersteigt und die Vergleichereinheit ein Detektionssignal erzeugt.

Um bei einem Ausbleiben des nächsten Detektionsereignisses ein übermäßiges Absinken des Schwellwerts zu verhindern, weist die zweite Regelschaltung einen Begrenzer auf. Der untere Grenzwert, bei dem das Herunterfahren des Schwell­ werts von dem Begrenzer beendet wird, wird hierbei mittels einer Recheneinheit aus dem Maximalwert des zuvor detek­ tierten Signalkomplexes berechnet, der im Amplitudenspei­ cher abgespeichert ist. Bei der Detektion von QRS-Komplexen in einem EKG-Signal hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Herunterfahren des Schwellwerts bei einem Pegel zu be­ enden, der 25% der Amplitude des zuvor detektierten QRS-Komplexes entspricht.

Der erfindungsgemäße Signaldetektor erhöht den Schwellwert also im Anschluß an ein Detektionsereignis und fährt den Schwellwert anschließend wieder herunter. Beim Herunterfah­ ren des Schwellwerts wird hierbei sowohl der Startwert als auch der Endwert des Schwellwerts an die Amplitude des vor­ angegangenen QRS-Komplexes gekoppelt.

In einer vorteilhaften weiterbildenden Variante der Erfin­ dung wird der Endwert beim Herunterfahren des Schwellwerts nicht nur an die Amplitude des letzten Signalkomplexes ge­ koppelt, sondern auch an die Amplituden vorangegangener Signalkomplexe. Hierzu weist der Signaldetektor mehrere Spei­ cherelemente auf, die jeweils zur Speicherung der Amplitude eines Signalkomplexes dienen.

In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Variante wird dies mittels eines Schieberegisters mit mehreren Speicher­ plätzen realisiert. Bei der Detektion eines neuen Signal­ komplexes wird dessen Amplitude dann als neuer Wert in das Schieberegister "hineingeschoben". Gleichzeitig wird der älteste Amplitudenwert aus dem Schieberegister herausge­ schoben.

Sämtliche Speicherelemente sind hierbei mit der zweiten Re­ cheneinheit verbunden, die den ersten unteren Grenzwert für den ersten Begrenzer in Abhängigkeit von den gespeicherten Amplitudenwerten berechnet, wobei die Amplitudenwerte vor­ zugsweise entsprechend der Reihenfolge ihrer vorausgegangen Bestimmung gewichtet werden. So ist beispielsweise sinn­ voll, die Amplituden der unmittelbar vorausgegangenen Signalkomplexe stärker zu gewichten als die Amplituden älte­ rer Signalkomplexe. Da der untere Grenzwert nicht aus­ schließlich an die Amplitude des letzten Signalkomplexes gekoppelt wird, sondern an die Amplituden mehrerer vorange­ gangener Signalkomplexe, wird auf diese Weise der Einfluß eines "Ausreißers" vorteilhaft verringert. Auch erfolgt die Anpassung des Schwellwerts an das Signalniveau des Ein­ gangssignals hierbei wesentlich genauer, da mehrere Ampli­ tudenwert das Signalniveau wesentlich besser widerspiegeln als ein einzelner Amplitudenwert. In der gleichen Weise läßt sich auch der zu Beginn des Herunterfahrens wirksame Maximalwert des Schwellwerts an die Amplituden mehrerer aufeinanderfolgender Signalkomplexe anpassen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zu­ sätzlich zu dem vorstehend beschriebenen Begrenzer, dessen unterer Grenzwert an die Amplitude des zuvor detektierten Signalkomplexes gekoppelt ist, ein weiterer Begrenzer vor­ gesehen, der unabhängig von der Amplitude der vorangegange­ nen Signalkomplexes ein Absinken des Schwellwerts unter ei­ nen vorgegeben absoluten unteren Grenzwert verhindert. Hierdurch wird verhindert, daß der Schwellwert nach dem Auftreten von Signal komplexen mit geringen Amplituden auf­ grund der Kopplung des ersten Begrenzers an die Amplitude des vorausgegangenen Signalkomplexes so weit absinkt, daß es zu Fehldetektionen von Störsignalen kommt.

Der vorstehend beschriebene Signaldetektor eignet sich vor­ teilhaft zur Realisierung im Rahmen einer softwaremäßigen Lösung, insbesondere als Bestandteil eines mikroprozessor­ gesteuerten Herzschrittmachers oder Defibrillators. Der er­ findungsgemäße Signaldetektor ist jedoch nicht auf eine rein softwaremäßige Realisierung beschränkt, sondern läßt sich auch rein hardwaremäßig oder mit einer Kombination von Hardware-Komponenten und einer durch Software realisierten Steuerung ausführen.

Wichtig ist weiterhin, daß der erfindungsgemäße Signalde­ tektor nicht auf eine separate Ausführung der vorstehend beschriebenen Bauelemente bzw. Baugruppen beschränkt ist. So können die einzelnen Recheneinheiten beispielsweise Be­ standteil einer arithemtischen Einheit (engl. ALU - arith­ metical logical unit) sein. Auch können die verschiedenen Steuereinheiten bzw. Regelschaltungen in einer Baugruppe zusammengefaßt sein. Maßgebend ist lediglich, daß die vor­ stehend beschriebenen technischen Funktionen zur Verfügung gestellt werden.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zei­ gen:

Fig. 1 als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Signaldetektor zur Detektion von QRS-Kom­ plexen in einem Elektrokardiogramm in einer Dar­ stellung als Blockschaltbild,

Fig. 2 die Eingangsstufe des Signaldetektors aus Fig. 1 als Blockschaltbild sowie

Fig. 3a, 3b jeweils exemplarisch ein Elektrokardiogramm sowie den zugehörigen Verlauf der Detektionsschwel­ le.

Der in Fig. 1 dargestellte Signaldetektor 1 ist Bestand­ teil eines implantierbaren Herzschrittmachers und dient zur Detektion von QRS-Komplexen in einem über die Schrittmacher­ elektroden intrakardial abgenommenen Elektrokardiogramm (EKG). Die Detektion der QRS-Komplexe erfolgt hierbei zum einen, um im Demand-Betrieb beim Auftreten spontaner Herz­ aktionen die Abgabe von Stimulationsimpulsen inhibieren zu können. Zum anderen ermöglicht die Detektion von QRS-Kom­ plexen die Bestimmung der Herzrate und damit eine frühzei­ tige Erkennung von Arrhythmien, insbesondere von Tachykar­ dien.

Zur Aufnahme des EKG-Signals enthält der Signaldetektor 1 eine Eingangsstufe 19, die detailliert in Fig. 2 darge­ stellt ist und das EKG-Signal verstärkt, um die anschlie­ ßende Detektion zu vereinfachen. Das von der Eingangsstufe 19 verstärkte EKG-Signal wird dann einer Vergleichereinheit 14 zugeführt, die die Amplitude des EKG-Signals mit einem Schwellwert vergleicht, der in dem Speicherelement 13 abge­ speichert ist.

Liegt die Amplitude des EKG-Signals unter dem Schwellwert, so nimmt das Ausgangssignal der Vergleichereinheit 14 einen Low-Pegel an, der über das UND-Gatter 2 an den Ausgang des Signaldetektors 1 weitergegeben wird. In diesem Fall wird die Detektionsempfindlichkeit des Signaldetektors 1 stufen­ weise erhöht, um die Detektion von QRS-Komplexen mit einer geringen Amplitude zu ermöglichen. Hierzu wird der in dem Speicherelement 13 abgelegte Schwellwert einer Rechenein­ heit 18 zugeführt, die durch Multiplikation mit einem vor­ gegebenen Faktor einen entsprechend verringerten Schwell­ wert berechnet.

Um eine Verringerung des Schwellwerts in den Pegelbereich von Störsignalen und damit eine Fehldetektion von Störsig­ nalen zu vermeiden wird der verringerte Schwellwert dem Be­ grenzer 17 zugeführt, der den Schwellwert nach unten auf einen vorgegebenen Grenzwert begrenzt. Unabhängig von dem durch die Recheneinheit 18 berechneten verringerten Schwellwert ist das Ausgangssignal des Begrenzers 17 also stets größer als der vorgegebenen untere Grenzwert, was ei­ ne Fehldetektion von Störsignalen wirksam verhindert.

Bei einer Eingangsstufe mit variabler Verstärkung besteht jedoch das Problem, daß nicht nur die eigentlichen Herzsig­ nale, sondern auch die Störsignale entsprechend dem jewei­ ligen Verstärkungsfaktor verstärkt werden. Dies kann dazu führen, daß der Pegel der Störsignale über den durch den Begrenzer 17 vorgegebenen unteren Grenzwert ansteigt, da dieser Grenzwert unabhängig vom Verstärkungsfaktor der Ein­ gangsstufe ist.

Das Ausgangssignal des Begrenzer 17 wird deshalb einem zweiten Begrenzer 16 zugeführt, der das Signal nach unten auf einen Minimalwert begrenzt. Im Gegensatz zu dem vorge­ schalteten Begrenzer 17 ist dieser Minimalwert jedoch nicht konstant, sondern abhängig von der Amplitude des letzten QRS-Komplexes, die in dem Speicherelement 10 abgespeichert ist und bei jeder Detektion von dem Signaldetektor 1 be­ stimmt wird. Hierzu wird die Amplitude des letzten QRS-Komplexes aus dem Speicherelement 10 ausgelesen und der Re­ cheneinheit 15 zugeführt, die den Minimalwert für den Be­ grenzer 16 berechnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Minimalwert des Begrenzers 16 25% der Amplitude des letzten QRS-Komplexes, d. h. der Begrenzer 16 verhindert ein Absinken des Schwellwerts unter ein Viertel der Ampli­ tude des letzten Detektionsereignisses. Betrug die Amplitu­ de des letzten QRS-Komplexes nach Verstärkung durch die Eingangsstufe 19 beispielsweise 4 V, so kann der Schwell­ wert nicht unter 1 V absinken.

Der auf diese Weise verringerte Schwellwert wird dann einer Auswahleinheit 11 zugeführt und von dieser während der Ver­ ringerung des Schwellwerts - im Gegensatz zu der später be­ schriebenen Erhöhung des Schwellwerts - zu der Steuerein­ heit 12 weitergeleitet wird, die die Aufgabe hat, die stu­ fenweise Verringerung des Schwellwerts zeitlich zusteuern. Hierzu weist der Signaldetektor einen Taktgeber 6 auf, des­ sen hochratiges Taktsignal über einen Frequenzteiler 7 und das ODER-Gatter 8 der Steuereinheit 12 zugeführt wird, die beim Erscheinen eines Taktimpulses den an ihrem Eingang an­ liegenden verringerten Schwellwert in das Speicherelement 13 schreibt. Unmittelbar nach diesem Schreibvorgang ist die Detektionsempfindlichkeit des Signaldetektors entsprechend dem neuen Schwellwert erhöht. Gleichzeitig wird in der vor­ stehend beschriebenen Weise ein neuer verringerter Schwell­ wert berechnet und beim Erscheinen des nächsten Taktsignals von der Steuereinheit 12 in das Speicherelement 13 einge­ schrieben. Der Schwellwert wird also stufenweise jeweils um einen vorgegebenen Faktor verringert, bis entweder der er­ ste Begrenzer 17 ein Absinken des Schwellwerts unter den absoluten Minimalwert verhindert oder der zweite Begrenzer 16 einsetzt, um ein Absinken des Schwellwerts unter 25% der Amplitude des letzten QRS-Komplexes zu verhindern.

Neben den beiden vorstehend genannten Ausstiegsbedingungen wird das Herunterfahren des Schwellwerts auch beendet, wenn ein QRS-Komplex detektiert wird. Dies ist der Fall, wenn das von der Eingangsstufe 19 verstärkte EKG-Signal den im Speicherelement 13 abgespeicherten Schwellwert übersteigt, so daß das Ausgangssignale der Vergleichereinheit 14 einen High-Pegel einnimmt. Der am Ausgang der Vergleichereinheit 14 erscheinende High-Pegel wird über das UND-Gatter zum ei­ nen dem Ausgang des Signaldetektors 1 zugeführt und dort als Detektionssignal ausgegeben. Zum anderen triggert das Ausgangssignal der Vergleichereinheit 14 bei der Detektion eines QRS-Komplexes das MONO-FLOP 4, das daraufhin für eine Dauer von 121 ms einen Low-Pegel einnimmt, der über den In­ verter 3 dem UND-Gatter 2 zugeführt wird und dieser sperrt, so daß während der Halte zeit des MONO-FLOPS 4 unabhängig vom Ausgangssignal der Vergleichereinheit 14 keine weiteren Detektionssignale abgegeben werden können.

Darüber hinaus triggert das Ausgangssignal der Vergleicher­ einheit 14 das MONO-FLOP 5, das anschließend für die Dauer von 86 ms einen High-Pegel einnimmt. Im Gegensatz zu dem MONO-FLOP 4, welches die Zeitspanne nach einem Detektions­ ereignis definiert, innerhalb derer keine weiteren Detekti­ onssignale abgegeben werden, definiert das MONO-FLOP 5 das Zeitfenster nach einem Detektionsereignis, in dem die Amplitude des detektierten QRS-Komplexes ermittelt wird.

Die Vergleichereinheit 14 vergleicht hierzu laufend die Amplitude des EKG-Signals mit dem im Speicherelement 13 ab­ gelegten Schwellwert. Beim Überschreiten des Schwellwerts nimmt das Ausgangssignal der Vergleichereinheit einen High-Pegel an, der den beiden UND-Gattern 2, 9 zugeführt. Wäh­ rend das UND-Gatter 2 nun wegen des zuvor getriggerten MONO-FLOPs sperrt, ist schaltet das andere UND-Gatter 9 dage­ gen durch und leitet das Ausgangssignal der Vergleicherein­ heit an das Speicherelement 10 weiter, das eingangsseitig mit der Eingangsstufe 19 und ausgangsseitig mit der Auswahl­ einheit 11 verbunden ist und das aktuelle EKG-Signal als vorläufigen Maximalwert abspeichert. Während der Haltezeit des MONO-FLOPs 5 liest die Auswahleinheit - anders als bei dem zuvor beschriebenen Herunterfahren des Schwellwerts - den vorläufigen Maximalwert aus dem Speicherelement 10 aus und führt diesen der Steuereinheit 12 zu, die ebenfalls über das MONO-FLOP 5 und das ODER-Gatter 8 angesteuert wird und den vorläufigen Maximalwert somit als neuen Schwellwert in das Speicherelement 13 einschreibt. Falls das EKG-Signal während der Halte zeit des MONO-FLOPs 5 den im Speicherele­ ment 13 gespeicherten Schwellwert nochmals überschreitet, so wird sowohl der vorläufige Maximalwert im Speicherele­ ment 10 als auch der Schwellwert im Speicherelement 10 ent­ sprechend aktualisiert. Der Schwellwert wird also bei der Detektion eines QRS-Komplexes kontinuierlich mitgeführt, bis der Maximalwert erreicht ist oder die Haltezeit des MONO-FLOPs 5 abgelaufen ist. Nach diesem Anpassungsvorgang enthalten die beiden Speicherelemente 10, 13 dann den Maxi­ malwert der Amplitude des QRS-Komplexes.

Der in dem Speicherelement 10 abgelegte Maximalwert dient hierbei - wie bereits beschrieben - zur Berechnung des un­ teren Grenzwerts für den Begrenzer 16 beim anschließenden Herunterfahren des Schwellwerts zur Erhöhung der Detekti­ onsempfindlichkeit und wird deshalb nach Ablauf der Halte­ zeit des MONO-FLOPs 5 nicht mehr verändert. Dies wird da­ durch erreicht, daß das Ausgangssignal der Vergleicherein­ heit 14 nach Ablauf der Halte zeit des MONO-FLOPs 5 von dem UND-Gatter 9 gesperrt wird, so daß das Speicherelement 10 unabhängig vom Ausgangssignal der Vergleichereinheit 14 seinen Wert beibehält.

Im Gegensatz dazu wird der im Speicherelement 13 abgelegte Schwellwert - wie bereits vorstehend beschrieben - zur Er­ höhung der Detektionsempfindlichkeit stufenweise herunter­ gefahren.

Der Aufbau der Eingangsstufe 19 ist detailliert in Fig. 2 dargestellt.

Zur Verstärkung des intrakardial abgenommenen EKG-Signals ist ein Verstärker 20 vorgesehen, dessen Verstärkungsfaktor einstellbar ist, um eine Anpassung an den Signalpegel des EKG-Signals zu ermöglichen. Die Einstellung des Verstär­ kungsfaktors erfolgt deshalb in Abhängigkeit von den Ampli­ tuden der letzten QRS-Komplexe, die jeweils in dem Speiche­ relement 10 abgespeichert sind. Der in dem Speicherelement 10 abgelegte Maximalwert des letzten QRS-Komplexes wird deshalb einer Vergleichereinheit zugeführt und von dieser mit einem in dem Speicherelement 22 abgelegten Schwellwert verglichen. Überschreitet der Maximalwert des letzten QRS-Komplexes den vorgegebenen Schwellwert, so nimmt das Aus­ gangssignal der Vergleichereinheit 21 einen High-Pegel an, der der Steuereinheit 23 zugeführt wird, die die Aufgabe hat, den Verstärkungsfaktor des Eingangsverstärkers 20 in Abhängigkeit von den Amplituden der letzten QRS-Komplexes einzustellen. Eine Änderung des Verstärkungsfaktors erfolgt hierbei - falls überhaupt erforderlich - jeweils dann, wenn der Maximalwert des aktuellen QRS-Komplexes bestimmt worden ist. Dies ist der Fall, wenn die Haltezeit des MONO-FLOPs 5 abgelaufen ist und dieses wieder einen Low-Pegel annimmt. Das MONO-FLOP 5 ist deshalb mit der Steuereinheit 23 ver­ bunden und triggert diese mit der fallenden Flanke des Aus­ gangssignals, also am Ende der Haltezeit. Die Steuereinheit 23 überprüft daraufhin das Ausgangssignal der Verglei­ chereinheit 21.

Liefert die Vergleichereinheit 21 einen High-Pegel, so be­ deutet dies, daß der Maximalwert des aktuellen QRS-Komplexes den vorgegebenen Schwellwert überschreitet. In diesem Fall stellt die Steuereinheit 23 einen vorgegebene verringerten Verstärkungsfaktor ein, da der Pegel des EKG-Signals relativ hoch ist. Darüber hinaus speichert die Steuereinheit 23 bei jeder Triggerung durch die fallende Flanke des MONO-FLOPs 5 das Ausgangssignal der Verglei­ chereinheit 21 intern ab, um bei der Entscheidung über die Änderung des Verstärkungsfaktors auch die Maximalwerte der vorangegangenen QRS-Komplexe berücksichtigen zu können.

Erhält die Steuereinheit 23 dagegen einen Low-Pegel von der Vergleichereinheit 21, so bedeutet dies, daß der aktuelle QRS-Komplex einen relativ geringen Pegel aufweist. In die­ sem Fall zieht die Steuereinheit 23 zur Entscheidung einer Änderung des Verstärkungsfaktors die intern abgespeicherten Ausgangssignale der beiden vorangegangenen QRS-Komplexe heran. Die aktuelle Einstellung des Verstärkungsfaktors wird beibehalten, wenn der Maximalwert mindestens eines der beiden vorangegangenen QRS-Komplexe den vorgegebenen Schwellwert überschritten hat. Falls jedoch nicht nur der Maximalwert des aktuellen QRS-Komplexes den vorgegebenen Schwellwert unterschreitet, sondern auch die Maximalwerte der beiden vorangegangenen QRS-Komplexe, so stellt die Ver­ steuereinheit 23 einen erhöhten Verstärkungsfaktor ein, um eine Anpassung an das relativ geringe Signalniveau des EKG-Signals zu ermöglichen.

Der Verstärkungsfaktor des Eingangsverstärkers 20 wird also verringert, sobald ein "starker" QRS-Komplex detektiert wird, während die Verringerung des Verstärkungsfaktors erst erfolgt, wenn nacheinander drei "schwache" QRS-Komplexe de­ tektiert werden.

Die Fig. 3a und 3b zeigen jeweils den Verlauf einen ty­ pischen EKG-Signals sowie den Schwellwert des Signaldetek­ tors aus Fig. 1. Das EKG-Signal ist hierbei als durchgezo­ gen Linie dargestellt und gibt drei QRS-Komplexe mit rela­ tiv geringer Amplitude und anschließend ein bzw. zwei QRS-Komplexe mit etwas erhöhter Amplitude wieder. Der Schwell­ wert des Signaldetektors ist dagegen als gestrichelte dicke Linie dargestellt. Weiterhin zeigen die beiden Fig. 3a und 3b jeweils den absoluten unteren Grenzwert des Schwell­ werts als dünne gestrichelte Linie parallel zur Zeitachse.

Der Schwellwert geht hierbei zunächst von dem vorgegeben unteren Grenzwert aus, der die Aufgabe hat, eine Fehldetek­ tion von Rausch- oder Störsignalen zu verhindern. Zum Zeit­ punkt t₁ überschreitet das EKG-Signal dann den Schwellwert, was zu einem Detektionsereignis führt (hier als schwarzer Punkt dargestellt). Im Anschluß daran startet der Signalde­ tektor eine Refraktärzeit T_H mit einer Dauer von 121 ms, innerhalb derer keine weiteren Detektionssignale abgegeben werden, um zu verhindern, daß ein QRS-Komplex mehrfach de­ tektiert wird. Darüber hinaus beginnt bei einem Detektion­ sereignis eine zweite Zeitspanne T_m mit einer Dauer von 86 ms, innerhalb derer der Maximalwert des QRS-Komplexes bestimmt wird. Der Schwellwert wird hierbei dem EKG-Signal bis zum Erreichen des Maximalwerts nachgeführt. Ein Detek­ tionsereignis führt somit zu einer nahezu sprungartigen Verringerung der Detektionsempfindlichkeit.

Im Anschluß daran wird die Detektionsempfindlichkeit stu­ fenweise wieder erhöht, der Schwellwert also entsprechend stufenweise verringert.

Das Herunterfahren des Schwellwertes wird beendet, wenn dieser den absoluten unteren Grenzwert - als dünne gestri­ chelte Linie dargestellt - erreicht. Darüber hinaus wird das Herunterfahren des Schwellwerts beendet, wenn der schwellwert 25% des Maximalwerts des vorangegangenen QRS-Komplexes erreicht.

Neben den beiden vorstehend genannten Ausstiegsbedingungen wird das Herunterfahren des Schwellwerts auch beendet, wenn der Signaldetektor den nächsten QRS-Komplex detektiert. In diesem Fall wird die Detektionsempfindlichkeit wieder - wie vorstehend beschrieben - nahezu sprungartig erhöht, um eine Fehldetektion der auf einen QRS-Komplex folgenden T-Welle zu verhindern.

In Fig. 3a erfolgt das Herunterfahren entsprechend dem in Fig. 1 dargestellten Signaldetektor, indem der Schwellwert bei jeder Stufe halbiert wird, bis eine der vorstehend ge­ nannten Ausstiegsbedingungen erfüllt ist. Dies ermöglicht ein relativ schnelles Herunterfahren des Schwellwerts, was insbesondere nach QRS-Komplexen mit großen Signalamplituden wichtig ist.

Im Gegensatz erfolgt die Verringerung des Schwellwerts in Fig. 3a durch stufenweises Verringerung um einen vorgege­ ben Betrag. Sowohl in Fig. 3a als auch in Fig. 3b weisen die einzelnen Stufen jedoch einen einheitliche Breite auf.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispie­ le. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims (13)

1. Signaldetektor (1) zur Detektion von Signalkomplexen in einem Eingangssignal (ECG), insbesondere zur Detektion von QRS-Komplexen in einem Elektrokardiogramm, mit
einem Eingang zur Aufnahme des Eingangssignals (ECG) und einem Ausgang zur Abgabe eines die Detektion eines Signal­ komplexes in dem Eingangssignal anzeigenden Detektions­ signals (DETECT),
einem Speicherelement mit einem ersten Speicherplatz (13) zur Speicherung eines die Detektionsempfindlichkeit bestim­ menden Empfindlichkeitsparameters, der einen Schwellwert für das Eingangssignal (ECG) und/oder die Eingangsverstär­ kung wiedergibt,
einer eingangsseitig mit dem Eingang verbundenen Verglei­ chereinheit (14) zum Vergleich des Eingangssignals (ECG) mit einem Schwellwert und zur Erzeugung des Detektions­ signals (DETECT) beim Erreichen des Schwellwerts,
einer ersten Regelschaltung zur Verringerung der Detekti­ onsempfindlichkeit auf das Erscheinen des Detektionssignals hin mit Mitteln zur Bestimmung der Amplitude des detektier­ ten Signalkomplexes innerhalb eines vorgegebenen ersten Zeitraums (T_m) nach dem Erscheinen des Detektionssignals (DETECT) und zum Einschreiben eines entsprechend der Ampli­ tude verringerten Empfindlichkeitsparameters in den ersten Speicherplatz (13) des Speicherelements,
einer zweiten Regelschaltung zur Erhöhung der Detektions­ empfindlichkeit jeweils nach Ablauf eines zweiten Zeitraums (T_H) nach dem Erscheinen des Detektionssignals (DETECT) mit einer mit dem Speicherelement (13) verbundenen ersten Re­ cheneinheit (18) zur Berechnung eines gegenüber dem abge­ speicherten Empfindlichkeitsparameter erhöhten Empfindlich­ keitsparameters und zum Einschreiben des erhöhten Empfind­ lichkeitsparameters in den ersten Speicherplatz (13) des Speicherelements,
einer ersten Steuereinheit (11) zur Aktivierung der ersten Regelschaltung innerhalb des ersten Zeitraums (T_m) nach dem Erscheinen des Detektionssignals (DETECT) und zur Aktivie­ rung der zweiten Regelschaltung jeweils nach Ablauf des zweiten Zeitraums (T_H) nach dem Erscheinen des Detektions­ signals (DETECT),
dadurch gekennzeichnet,
daß das Speicherelement zur Zwischenspeicherung der Ampli­ tude des detektierten Signalkomplexes einen zweiten Spei­ cherplatz (10) aufweist und ausgangsseitig zur Berechnung eines ersten oberen Grenzwerts für den Empfindlichkeitspa­ rameter in Abhängigkeit von der Amplitude des detektierten Signalkomplexes mit einer zweiten Recheneinheit (15) ver­ bunden ist,
daß die zweite Regelschaltung zur Begrenzung des Empfind­ lichkeitsparameters einen der ersten Recheneinheit (18) nachgeschalteten ersten Begrenzer (16) aufweist, der zur Vorgabe des ersten oberen Grenzwerts eingangsseitig mit der zweiten Recheneinheit (15) verbunden ist.

2. Signaldetektor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, die zweite Regelschaltung einen der ersten Re­ cheneinheit (18) nachgeschalteten zweiten Begrenzer (17) aufweist zur Begrenzung des Empfindlichkeitsparameters auf einen vorgegebenen zweiten Grenzwert.

3. Signaldetektor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgang ein Sperrglied (2, 3, 4) vorgeschaltet ist zur Sperrung der Abgabe eines Detektionssignals (DETECT) innerhalb des zweiten Zeitraums (T_H) nach dem jeweils vorangegangenen Detektionssignal zur Unterdrückung von Fehldetektionen.

4. Signaldetektor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Regelschaltung mit einem Taktgeber (6, 7) verbunden ist zur aufeinander­ folgenden stufenweisen Verringerung des Schwellwerts je­ weils bei einem Impuls des Taktgebers (6, 7).

5. Signaldetektor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Recheneinheit einen Multiplizierer (15) aufweist, der den im zweiten Speicherplatz (10) des Speicherelements abgespeicherten Ma­ ximalwert zur Berechnung des zweiten Grenzwerts mit einem vorgegeben Faktor multipliziert.

6. Signaldetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der vorgegebene Faktor im wesentlichen gleich 0,25 ist.

7. Signaldetektor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Recheneinheit einen Multiplizierer (18) aufweist zur Erhöhung des Emp­ findlichkeitsparameters bzw. zur Herabsetzung des Schwell­ werts um einen vorgegebenen Faktor.

8. Signaldetektor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Recheneinheit einen Subtrahierer aufweist zur Erhöhung des Empfindlich­ keitswerts bzw. zur Herabsetzung des Schwellwerts um einen vorgegeben Betrag.

9. Signaldetektor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung der Amplitude des detektierten Signalkomplexes eine ein­ gangsseitig mit der Vergleichereinheit (14) und dem Eingang verbundene zweite Steuereinheit aufweisen zum Einschreiben des Eingangssignals in den ersten Speicherplatz (13) und/oder den zweiten Speicherplatz (10) des Speicherele­ ments auf das Erscheinen des Detektionssignals (DETEGT) hin.

10. Signaldetektor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speicherung der Ampli­ tude jeweils eines von mehreren aufeinanderfolgenden Signalkomplexen mehrere Speicherelemente vorgesehen sind, die zur Berechnung des ersten oberen Grenzwerts in Abhängigkeit von den gespeicherten Amplituden mit der zweiten Rechenein­ heit verbunden sind.

11. Signaldetektor nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, gekennzeichnet durch
einen Eingangsverstärker (20) mit einem Steuereingang zur Einstellung entweder eines ersten oder eines vergrößerten zweiten Verstärkungsfaktors,
einen dritten Speicherplatz (22) des Speicherelements zur Speicherung eines Schwellwerts zur Unterscheidung starker und schwacher Detektionsereignisse,
eine eingangsseitig mit dem Speicherelement (22) und dem Eingang verbundene zweite Vergleichereinheit (21) zum Ver­ gleich des Eingangssignals mit dem im dritten Speicherplatz (22) des Speicherelements abgespeicherten Schwellwert und zur Erzeugung eines Steuersignals beim Überschreiten des Schwellwerts,
eine eingangsseitig mit der ersten und der zweiten Verglei­ chereinheit (14 bzw. 21) und ausgangsseitig mit dem Steu­ ereingang des Eingangsverstärkers (20) verbundene dritte Steuereinheit (23) zur Einstellung des Verstärkungsfaktors in Abhängigkeit von dem Steuersignal und dem Detektions­ signal.

12. Signaldetektor nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die dritte Steuereinheit (23) beim Erscheinen des Steuersignals und des Detektionssignals den ersten Ver­ stärkungsfaktor einstellt.

13. Signaldetektor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die dritte Steuereinheit den ersten Ver­ stärkungsfaktor einstellt, wenn drei mal hintereinander das Detektionssignal ohne das Steuersignal erscheint.