Die Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung für medizinische Zwecke zur Bestimmung mindestens einer Ableitung einer Funktion einer Variabeln nach dieser Variabeln.
Sie kann überall dort zur Anwendung kommen, wo eine gegebene Folge von Funktionswerten in einen zeitabhängigen Strom- oder Spannungsverlauf umgewandelt werden kann und wo die charakteristischen Merkmale dieses Verlaufs, wie z. B. Minimalwerte, Maximalwerte, Steilheiten und Krümmungsmasse, oder der Eintritt bestimmter Funktionswerte auf möglichst geeignete Weise bestimmt werden sollen. Im folgenden soll die Erfindung an einem Beispiel näher erläutert werden:
In der Medizin werden routinemässig zu Zwecken der
Diagnose oder Überwachung der Patienten verschiedene biomedizinische Parameter kontinuierlich oder in bestimmter Zeitfolge gemessen.
Bei dem gegenwärtigen Stand der Tech nik werden die Messresultate an Hand von Tabellenwerten oder graphischen Registrierungen auf ihre charakteristischen Merkmale hin untersucht, wobei meist mit Hilfe graphischer Verfahren Maxima, Minima, Anstiegs- oder Abfallsteilheiten usw. bestimmt werden. Diese allgemein übliche Methodik ist in ihrer Genauigkeit begrenzt und benötigt geweils geraume Zeit. Der Umstand, dass es notwendig ist, die zu untersuchenden zeitlichen Abläufe vorerst festzuhalten, bedingt aufwendige und voluminöse Anzeigevorrichtungen (Schreiber, Speicheroszillographen, numerische Speicher). Bei vielen Messungen entstehen Schwierigkeiten dadurch, dass kleine Änderungen eines grossen Signals registriert werden müssen.
Da das grosse Grundsignal in der Regel nicht absolut gleichbleibend ist, verschiebt sich das interessierende Signal an der Anzeigevorrichtung. So liefert z. B. bei fotoelektrischer Registrierung der Änderungen der Lichtdurchlässigkeit des Körpergewebes, die durch eine vom Pulsdruck herrührende periodische Dehnung der Blutgefässe entstehen, der Abnehmer einen grossen Strom, welcher der totalen Durchlässigkeit des durchleuchteten Gewebes entspricht. Diesem Strom ist ein sehr geringer, durch eine pulsierende Füllung der arteriellen Gefässe mit Blut verursachter Strom überlagert. Da die totale Durchlässigkeit des Gewebes nicht gleichbleibend ist, verschiebt sich die Lage der Kurve am Registrierstreifen, die den Verlauf der Dehnung abbildet. Dieser Effekt wird als Verschiebung der Nullinie bezeichnet.
Ein weiterer Nachteil der für medizinische Zwecke üblichen Methoden der Auswertung festgehaltener Messwerte besteht darin, dass eine direkte Anzeige der interessierenden charakteristischen Merkmale in Echtzeit nicht möglich ist.
Der Erfindung liegen die folgenden Aufgaben zugrunde: a) die graphische oder rechnerische Ermittlung der charakteristischen Merkmale der zu untersuchenden Abläufe zu erleichtern und zu präzisieren, b) die elektronische Erfassung der erwähnten Merkmale ohne graphische Zwischendarstellungen zu vereinfachen, c) den Eintritt charakteristischer Merkmale mit erhöhter Genauigkeit zu erfassen und zur Auslösung weiterer erwünschter Vorgänge zu benutzen, d) Momentanwertschwankungen des vorgegebenen Ablaufs nicht proportional zu ihren Grössen, sondern proportional zur Steilheit ihrer Änderung darzustellen, wodurch kleine, steile, im ursprünglichen Vorgang wegen ihrer geringen Grösse nur undeutlich erkennbare Schwankungen hervorgehoben werden, e) Aufgrund der Tatsache,
dass die erste Ableitung die Geschwindigkeit der Änderung und die zweite die Beschleuni- gung der Änderung einer Zeitfunktion darstellt, eine verbesserte physikalische Analyse des untersuchten Ablaufs zu ermöglichen.
f) Im Falle kontinuierlicher visueller Registrierung der interessierenden Zeitfunktion, parallel zu der Grundkurve auch den zeitlichen Verlauf ihrer Steilheit und den zeitlichen Verlauf ihres Krümmungsmasses in Echtzeit darzustellen.
g) Den Einfluss der Schwankungen der Nullinie weitgehend auszuschalten.
Hier wird dies dadurch erreicht, dass von den die zu untersuchende Funktion darstellenden zeitabhängigen Strom- bzw.
Spannungsverläufen oder numerischen Folgen elektronisch oder mit Hilfe eines on-line-Rechners die erste und zweite, und nach Bedarf noch höhere Ableitungen nach der Zeit gebildet werden. Diese werden dann elektronisch abgetastet bzw. zur Darstellung gebracht, um daraus spezifisch interessierende Merkmale in einfacher Weise und mit erhöhter Genauigkeit zu gewinnen bzw. um bei Eintritt dieser Merkmale weitere Vorgänge auslösen zu können. Die Darstellung der Ableitungen ermöglicht dabei in vielen Fällen eine physikalische Einsicht in die Vorgänge, die der untersuchten Funktion zugrunde liegen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen beispielsweise erläutert. Mit Hilfe eines Schreibers wurde die pulssynchrone Dehnung der arteriellen Blutgefässe in der Fingerspitze bzw. die durch den sogenannten Achilles Sehnen-Reflex ausgelöste Bewegung der Fusssohle gemessen.
Aus den graphisch registrierten Bewegungsabläufen (Abb. la, b oben) werden charakteristische Zeitwerte ermittelt, deren Verhältnis Q in Abb. la, Intervalle CT, TRT in Abb. lb) geschieht mittels einer Anzahl von geometrischen Konstruktionen, die zeitraubend und wenig genau sind. Elektronisch sind diese Konstruktionen nur schwierig und mit erheblichem apparativem Aufwand durchführbar. Von den untersuchten Abläufen werden elektronisch oder mit Hilfe eines Rechners die erste und zweite Ableitung gebildet (vgl.
Abb. 2a, b). Aus der Kurve der ersten Ableitung des Volumenpulses (in Abb. la, unten) kann der interessierende Parameter P sehr einfach als der Zeitintervall von der R-Zacke des EKG zum Schnittpunkt 1 der 1. Ableitung mit der Nullinie des Schreibers identifiziert werden. Ähnlich können auch die übrigen Parameter G und b ermittelt werden, wobei die sogenannte Inklinationszeit I proportional zu der Amplitude Al ist.
Ähnlich kann die erste Ableitung zur Bestimmung der interessierenden Zeiten CT und TRT des Achillessehnen-Re flexes verwendet werden (Abb. lb unten). Der Umstand, dass aus der ersten Ableitung eindeutig der Zeitpunkt des Ruhezustandes der Fusssohle bestimmt werden kann, ist hier besonders vorteilhaft. Bei der bisher üblichen Auswertung nach dem jetzigen Stand der Technik ist dies nicht der Fall, da der Fuss nach dem Reflex nicht unbedingt in die Ausgangslage zurückkehrt, so dass es bisher notwendig war, TRT als diejenige Zeit zu definieren, bei der die Amplitude auf den halben Wert abgesunken ist.
Da das Verhältnis CT/TRT, das indirekt die Anstiegs- und Abfallsteilheit der gemessenen Kurve beschreibt, ähnlich aussagekräftig ist wie die Messung von TRT, bietet sich zusätzlich die Möglichkeit, anstelle von TRT das Verhältnis der Amplituden ACT/ATRT zu messen.
Im übrigen entfällt bei dieser Methode die Notwendigkeit einer genauen Kenntnis der Vorschubgeschwindigkeit des Schreibers, die ansonsten für die Messung des Absolutwertes von TRT notwendig ist. Der Umstand, dass die Koordinate der maximalen oder minimalen Amplitude eines Ablaufs direkt aus dem Schnittpunkt der ersten Ableitung mit der Nullinie hervorgeht (die auch bei langsamem Drift der Nullinie des ursprünglichen Ablaufs unverschoben bleibt und identisch mit der Nullinie der Anzeigevorrichtung ohne Abnehmer ist), ist von bedeutendem Vorteil, da die elektronische Erfassung des Nulldurchgangs (bei konstanter Nullinie) bedeutend einfacher ist als die Bestimmung des maximalen oder minimalen Amplitudenwertes (bei event. unstabiler Nullinie).
Sollten die Absolutwerte der Maxima bzw. Minima der ursprünglichen Messkurven interessieren, so können die Nulldurchgänge der gleichzeitig gebildeten ersten Ableitung zur elektronischen Auslösung einer Amplitudenmessung verwendet werden.
Die Bildung der ersten bzw. der zweiten Ableitung bietet weiterhin die Möglichkeit, die relativen Steilheiten bzw. die relativen Krümmungen der ursprünglichen Messkurve zu erfassen und als Zeitfunktionen darzustellen. Falls der Grundablauf mit einer physikalischen Grösse in Verbindung gebracht werden kann (z. B. Bewegung), so beschreiben die erste und zweite Ableitung anschaulich Eigenschaften, die physikalisch von Interesse sind (z. B. Geschwindigkeit und Beschleunigung). Dieser Umstand erhöht die Aussagekraft der registrierten Grundabläufe und ermöglicht die Gewinnung von Informationen, die dem Grundablauf nicht unbedingt direkt zu entnehmen sind.
Die on-line-Computerverarbeitung erfolgt prinzipiell auf dieselbe Weise wie bei der Analogverarbeitung. Die Ableitungen werden mit Hilfe bekannter Methoden gebildet. Der durch dieses Verfahren verursachte Rauschbeitrag kann sehr klein gehalten werden, was ein besonderer Vorteil dieser Methode ist.
Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur analogen Bildung der ersten und zweiten Ableitung einer photoelektrisch abgenommenen Volumenpulskurve ist in Abb. 3 dargestellt (Blockschema). Das Signal des photoelektrischen Abnehmers wird über einen Verstärker auf den Ausgang y (t) geführt. Mit Hilfe eines Abschwächers und einer Nullinieneinstellung lässt sich dabei Amplitude und Lage der aufgenommenen Volumenpulskurve auf der Aufzeichnungsvorrichtung kontrollieren.
Hinter dem Abschwächer ist ein Differentiator (bezeichnet als d/dt in Abb. 3) geschaltet, dessen Ausgang y (t) die zweite Spur der Aufzeichnungsvorrichtung steuert. Ein in Serie zum y(t)-Kanal geschalteter zweiter Differentiator liefert die (t)- Kurve. An den Ausgängen y, y, sind also die Zeitfunktionen des ursprünglichen Ablaufs sowie seiner ersten und zweiten Ableitung gleichzeitig verfügbar und können zur Steuerung eines dreispurigen Schreibers benutzt werden. Ausserdem ist noch ein umschaltbarer Ausgang vorgesehen, der entweder die simultane Überwachung einzelner Ausgänge, z. B. mit einem Katodenstrahl-Speicheroszillographen, oder aufeinanderfolgende Aufzeichnungen der drei Zeitfunktionen mit einer einspurigen Anzeigevorrichtung ermöglicht.
Der Eingang der in Abb. 3 gezeigten Einrichtung lässt sich noch derart umschalten, dass auch andere extern zugeführte Spannungs- oder Stromverläufe auf die oben beschriebene Weise verarbeitet werden können. Ähnlich wie bei dem y(t)-Ausgang sind auch in den Ausgängen y (t) und y (t) Möglichkeiten für die Amplituden- und Nullinienregelung vorgesehen.
The invention relates to an electrical device for medical purposes for determining at least one derivative of a function of a variable according to this variable.
It can be used wherever a given sequence of function values can be converted into a time-dependent current or voltage curve and where the characteristic features of this curve, such as B. minimum values, maximum values, slopes and curvature mass, or the occurrence of certain function values should be determined in the most suitable way possible. The invention is explained in more detail below using an example:
In medicine they are routinely used for the purposes of
Diagnosis or monitoring of the patient, various biomedical parameters measured continuously or in a certain time sequence.
In the current state of the art, the measurement results are examined for their characteristic features on the basis of table values or graphic registrations, with maxima, minima, steepnesses in rise or fall, etc. being determined mostly with the aid of graphic methods. This commonly used methodology is limited in its accuracy and sometimes takes a long time. The fact that it is necessary to record the chronological sequences to be examined for the time being requires complex and voluminous display devices (recorder, storage oscilloscope, numerical memory). With many measurements difficulties arise because small changes in a large signal have to be registered.
Since the large basic signal is usually not absolutely constant, the signal of interest shifts on the display device. For example, B. with photoelectric registration of the changes in the light permeability of the body tissue, which arise from a periodic expansion of the blood vessels resulting from the pulse pressure, the consumer receives a large current, which corresponds to the total permeability of the tissue being screened. Superimposed on this current is a very small current caused by a pulsating filling of the arterial vessels with blood. Since the total permeability of the fabric is not constant, the position of the curve on the registration strip, which shows the course of the expansion, is shifted. This effect is known as the zero line shift.
Another disadvantage of the methods of evaluating recorded measured values that are customary for medical purposes is that it is not possible to directly display the characteristic features of interest in real time.
The invention is based on the following objects: a) to facilitate and specify the graphic or computational determination of the characteristic features of the processes to be examined, b) to simplify the electronic recording of the features mentioned without intermediate graphic representations, c) the occurrence of characteristic features with increased To record accuracy and to use it to trigger further desired processes, d) to display instantaneous value fluctuations of the specified sequence not proportionally to their size, but proportionally to the steepness of their change, whereby small, steep fluctuations that are only indistinctly recognizable in the original process due to their small size are highlighted , e) Due to the fact
that the first derivation represents the speed of the change and the second the acceleration of the change of a time function, to enable an improved physical analysis of the examined process.
f) In the case of continuous visual registration of the time function of interest, parallel to the basic curve also the temporal course of its steepness and the temporal course of its curvature to be shown in real time.
g) To largely eliminate the influence of fluctuations in the zero line.
This is achieved here by using the time-dependent current or
Voltage curves or numerical sequences electronically or with the help of an on-line computer, the first and second, and, if necessary, even higher derivatives can be formed according to time. These are then electronically scanned or displayed in order to obtain features of specific interest therefrom in a simple manner and with increased accuracy or in order to be able to trigger further processes when these features occur. In many cases, the presentation of the derivatives enables a physical insight into the processes on which the function under investigation is based.
The invention is explained below with reference to the drawings, for example. With the help of a recorder, the pulse-synchronous expansion of the arterial blood vessels in the fingertip and the movement of the sole of the foot triggered by the so-called Achilles tendon reflex were measured.
Characteristic time values are determined from the graphically recorded movement sequences (Fig. La, b above), the ratio of which Q in Fig. La, intervals CT, TRT in Fig. Lb) is done using a number of geometric constructions that are time-consuming and not very precise. Electronically, these constructions can only be carried out with difficulty and with considerable expenditure on equipment. The first and second derivations of the examined processes are generated electronically or with the help of a computer (cf.
Fig. 2a, b). From the curve of the first derivative of the volume pulse (in Fig. La, bottom), the parameter P of interest can be identified very easily as the time interval from the R-wave of the ECG to the point of intersection 1 of the 1st derivative with the recorder's zero line. The other parameters G and b can also be determined in a similar manner, the so-called inclination time I being proportional to the amplitude A1.
Similarly, the first derivative can be used to determine the CT and TRT times of interest of the Achilles tendon reflex (Fig. 1b below). The fact that the point in time of the rest state of the sole of the foot can be clearly determined from the first derivation is particularly advantageous here. This is not the case with the evaluation according to the current state of the art, which has been customary up to now, since the foot does not necessarily return to the starting position after the reflex, so that it was previously necessary to define TRT as the time at which the amplitude on the half the value.
Since the ratio CT / TRT, which indirectly describes the rise and fall steepness of the measured curve, is as meaningful as the measurement of TRT, it is also possible to measure the ratio of the amplitudes ACT / ATRT instead of TRT.
In addition, this method eliminates the need for precise knowledge of the feed rate of the recorder, which is otherwise necessary for measuring the absolute value of TRT. The fact that the coordinate of the maximum or minimum amplitude of a sequence is obtained directly from the intersection of the first derivative with the zero line (which remains unshifted even if the zero line of the original sequence drifts slowly and is identical to the zero line of the display device without a collector) This is a significant advantage, as the electronic detection of the zero crossing (with a constant zero line) is significantly easier than the determination of the maximum or minimum amplitude value (with an unstable zero line).
If the absolute values of the maxima or minima of the original measurement curves are of interest, the zero crossings of the first derivative formed at the same time can be used to electronically trigger an amplitude measurement.
The formation of the first or the second derivative also offers the possibility of detecting the relative steepnesses or the relative curvatures of the original measurement curve and representing them as time functions. If the basic sequence can be associated with a physical quantity (e.g. movement), the first and second derivation clearly describe properties that are of physical interest (e.g. speed and acceleration). This fact increases the informative value of the registered basic processes and enables information to be obtained that cannot necessarily be taken directly from the basic process.
On-line computer processing is basically the same as for analog processing. The derivatives are formed using known methods. The noise contribution caused by this method can be kept very small, which is a particular advantage of this method.
An embodiment of a device for the analog formation of the first and second derivative of a photoelectrically recorded volume pulse curve is shown in FIG. 3 (block diagram). The signal from the photoelectric pick-up is fed to the output y (t) via an amplifier. With the aid of an attenuator and a zero line setting, the amplitude and position of the recorded volume pulse curve on the recording device can be checked.
A differentiator (denoted as d / dt in Fig. 3) is connected after the attenuator, the output y (t) of which controls the second track of the recording device. A second differentiator connected in series to the y (t) channel supplies the (t) curve. At the outputs y, y, the time functions of the original sequence and its first and second derivatives are available simultaneously and can be used to control a three-track recorder. In addition, a switchable output is provided, which either allows the simultaneous monitoring of individual outputs, e.g. B. with a cathode ray storage oscillograph, or allows successive recordings of the three time functions with a single-track display device.
The input of the device shown in Fig. 3 can be switched in such a way that other externally supplied voltage or current curves can also be processed in the manner described above. Similar to the y (t) output, possibilities for amplitude and zero line control are also provided in the outputs y (t) and y (t).