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Schaltungsanordnung zur Messung und Berechnung von Parametern
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eines Reaktionsablaufs Anwendungsgebiet der Erfindung: Die Erfindung
betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung und Berechnung von Parametern eines
Reaktionsablaufs. Reaktionsabläufe sind mit der Änderung physikalischer und/oder
chemischer Größen verbunden und lassen sich daher meßtechnisch erfassen und auswerten.
Die Auswertung schließt die Berechnung von Parametern des tatsächlichen und des
zu erwartenden Reaktionsablaufs ein. Die Schaltungsanordnung kann für alle Arten
von Reaktionsabläufen eingesetzt werden, die einen kontinuierlichen Verlauf zwischen
einem Anfangs- und einem endzustand aufweisen.
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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen: Für die Ermittlung
verschiedener Parameter von Reaktionsabläufen, die als Kurven registriert werden
können, sind mehrere Schaltungsanordnungen entwickelt worden.
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Bekannt ist ein Gerät (DE-OS 19 09 352) zur Bestimmung der Differenz
zwischen einem Wiaximum und einem Augenblickswert.
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Hierzu ist ein Meßwandler an den ersten Eingang eines Differenzverstärkers
direkt
und an den zweiten Eingang über einen Speicher angeschlossen. Der Ausgang des Differenzverstärkers
ist über einen Spannungsteiler mit einem Schwellwertschalter verbunden.
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In einer abgewandelten Schaltungsanordnung (DE-OS 24 01 084) ist dem
Differenzverstärker ein Zeitzähler nachgeschaltet, Mit ihr wird die Zeit bis zum
Reaktionsbeginn festgestellt.
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Eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Blutgerinnungszeit (DE-OS
21 17 875) enthält einen Differenzierer und einen Differenzverstärker als Schwellwertdetektor,
Wenn der Wert des differenzierten Signals einen Vergleichswert am zweiten Eingang
des Differenzverstärkers übersteigt, wird ein Zeitzähler gestoppt, Mit dieser Anordnung
kann ebenfalls die Zeit bis zum Reaktionsbeginn gemessen werden.
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Bekannt ist auch eine Schalttzgsanordnung zur Speicherung des Minimal-
und Maximalwertes eines Analogsignals und zur Erzeugung eines dem Unterschied zwischen
diesen Werten entsprechenden Differenzsignals (DE-AS 21 04 289). Sie ist allerdings
nicht für die Auswertung von Reaktionsabläufen gedacht. Sie ist aus Verstärkern,
Schalt stufen, Dioden, Speichern, einem Differenzbilder und einer Steuerschaltung
aufgebaut, wobei an jedem Bingang des Differenzbilders eine Reihenschaltung aus
Verstärker, Schaltstufe, Diode und Speicher angeschlossen ist.
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Die bekannten Schaltungsanordnungen messen bzw. berechnen maximal
zwei Parameter von Reaktionsabläufen. Sie gestatten keine komplexe Analyse der Reaktionsabläufe
auf der Grundlage einer Vielzahl von Parametern und keine Vorausberechnung des Reaktionsabschlusses.
Für die Analyse sind komplett aufgezeichnete Reaktionskurven manuell auszuwerten.
sinne solche Auswertung ist stark fehlerbehaftet. Fehler treten auf infolge der
SmpSindlichkeit und Trägheit des Kurvenschreibers, der Inkonstanz der Strichstarke
und der Individualität der Auswertetechnik der Auswerteperson. Letzteres äußert
sich besonders bei der Ermittlung von Kurvenanstiegen und der Approximation des
Kurvenverlaufs durch Annäherungskurven. Die Vergleichbarkeit und die Reproduzierbarkeit
der
so gewonnenen Parameter ist nicht gewährleistet.
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Die Auswertung einer größeren Anzahl von Reaktionskurven stellt für
die Auswertepersonen eine hohe Belastung dar. Eine derartige Auswertung ist zeitaufwendig
und ermöglicht keine Verkürzung der Meßzeit bei langsamen Reaktionen.
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Ziel der Erfindung: Die erfindung hat den Zweck, eine komplexe Auswertung
von Reaktionsabläufen zu automatisieren, die Genauigkeit der Auswer tung zu erhöhen,
eine Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der Parameter zu gewährleisten, die
Zeit für die Auswertung zu verkürzen und die Belastung des Auswertepersonals zu
senken.
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Darstellung des Wesens der erfindung: Der ;erfindung lag die Aufgabe
zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur automatischen Auswertung von Koagulations-
und Aggre gationskurven zu schaffen.
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Die Lösung dieser Aufgabe schließt folgende bekannte Hlementa ein:
Speicher für den Leerwert einer nichtreagierenden Probe, für den Anfangswert einer
Reaktionsprobe, für einen xxtremwert und Speicher für einen Differenzbilder, einen
Minimum-Maximum-Detektor, eine Serienschaltung aus Differenzbilder und Schwellwertdetektor
und eine Serienschaltung aus Differenzierer und Schwellwertdetektor. Erfindungsgemäß
ist vorgesehen: Parallel zu den genannten Speichern ist ein gesteuerter Mehrfachspeicher
für eine Folge von Meßwerten angeordnet. Dem Vifferenzierer sind zusätzlich parallel
ein gesteuerter Mehrfachspeicher und ein gesteuerter Minimum-Maximum-Detektor nachgeschaltet.
Der Ausgang des Minimum Maximum-Detektors ist an einen ersten Speicher und einen
zweiten Speicher mit Meßsignaleingang geführt. Der Schwellwertdetektor weist auch
einen Meßsignaleingang und einen Steuereingang auf 0 Ausgangsseitig ist er an einen
Speicher mit Meßsignaleingang angeschlossen. Der mit den zwei Speichern eingangsseitig
beschaltete Differenzbilder ist ausgangsseitig mit einem Faktorgeber und dem ersten
Eingang
eines Dividierers verbunden, dessen zweiter Eingang an den Ausgang eines Zeitdifferenzbilders
geführt ist.
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Bs sind zwei weitere Differenzbilder und ein weiterer, diesen nachgeschalteter
Dividierer vorgesehen. Der erste dieser Differen zbild er ist an den Beerwertspeicher
und den Anfangswertspeicher, der zweite an den Anfangswertspeicher und wahlweise
an den Mehrfachspeicher für die Folge von Meßwerten, an den dem Schwellwertdetektor
nachgeschalteten Speicher oder an den dem Minimum-Maximum-Detektor folgenden Extremwertspeicher
angeschlossen. Der Anfangswertspeicher, der dem Differenzbilder nachgeschaltete
Schwellwertdetektor, der Mehrfachspeicher für die Meßwertfolge, der dem Differenzierer
nachgeschaltete Minimum-Maximum-Detektor sowie der diesem nachgeschaltete Speicher
mit Meßsignaleingang sind ausgangsseitig mit ihnen zugebrdne ten Eingängen eines
Rechners verbunden. Eine mit einem Startsignaleingang ausgestattete Steuereinheit
weist Ausgänge für den Anschluß des Beerwertspeichers, des Anfangswertspeichers,
des Mehrfachspeichers für die eßwertfolge, des mit einem Signaleingang ausgestatteten
Minimum-Maximum-Detektors, der dem Differenzierer nachgeschalteten drei Funktionseinheiten,
der dem einen Differenzbilder vorgeschalteten Speicher, des parallel zu diesem Differenzbilder
angeordneten Differenzbilders und des Rechners auf.
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Ausführungsbeispiel: In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine
fotometrisch aufgenommene Thrombozytenaggregationskurve Fig. 2 das Blockschaltbild
der Schaltungsanordnung Fig. 3 das Zeitdiagramm der Steuersignale.
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Als Ausführungsbeispiel' wurde eine Schaltungsanordnung zur elektronischen
Auswertung der Thrombozytenaggregation gewählt.
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Diese ist mit einer Trübungsänderung der Blutprobe verbunden, die
fotoelektrisch erfaßt den in der Fig. 1 dargestellten, geglätteten,
zeitlichen
Verlust aufweist. Die Schaltungsanordnung (Fig. 2) ist wie folgt aufgebaut: Das
Meßsignal wird in einer AnpaBschaltung 1 den Erfordernissen der Meßwertverarbeitung
angepaßt. Im Falle einer digitalen Meßwertverarbeitung enthält sie einen A/D-Wandler
und gegebenenfalls Filter zur Glättung des Meßwertverlaufs. Mit dem Ausgang der
Anpaßschaltung 1 ist eine Anzahl gleichartiger und verschiedenartiger Funktionseinheiten
verbunden: - ein Speicher 2 für den Leerwert 28 einer Blutprobe ohne Thrombozyten;
- ein Speicher 3 für den Anfangswert 29 einer Blutprobe mit Thrombozyten (Reaktionsprobe);
- ein Mehrfachspeicher 4 für eine Folge von Meßwerten 30; - ein Minimum-IvIaximum-Detek.tor
5 mit einem Ausgang für ein Signal zum Zeitpunkt t, e und mit nachfolgendem Speicher
6 für den Endwert 32; - ein Differenzbilder 7 mit nachfolgendem Schwellwertdetektor
8 für den Reaktionsbeginn tr; - ein Differenzierer 10; - ein Schwellwertdetektor
11; - ein Speicher 15, der außerdem eingangsseitig mit dem Ausgang des Schwellwertdetektors
11 verbunden ist; - zwei Speicher 16;17, deren Ausgänge an die Eingänge eines Differenzbilders
18 geführt sind.
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Der Ausgang des Schwellwertdetektors 8 ist mit einem der beiden Eingänge
eines Zeitmessers 9 verknüpft, dessen anderer Eingang mit dem Startsignaleingang
a in Verbindung steht. Der Differvnzierer 10 ist mit seinem Ausgang an den Schwellm-ertdetektor
11, einen Mehrfachspeicher 12 für die Meßwertdifferentiale 33 zu den Meßzeitpunkten
t1....tn und einen Minimum-Maximum-Detektor 13 geführt, dem ein Speicher 14 für
das maximale Meßwertdifferential 34 angeschlossen ist. Der Differenzbilder 18 ist
mit einem Faktorgeber 19 und einem Dividierer 21 verbunden, dessen zweiter eingang
mit dem Ausgang eines Differenzbilders 20 gekoppelt ist. Bin weiterer Speicher 22
für den
Meßwert 31 beim maximalen Meßwertdifferential 34 ist mit
einem ersten Eingang an die Anpaßschaltung 1 und einem zweiten Eingang an den Ausgang
des Minimum-Maximum-Detektors 13 angeschlossen. Vorgesehen sind weiterhin zwei Differenzbilder
23; 24, deren Ausgänge die Eingänge eines Dividierers 25 bilden.
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Der erste Eingang des Differenzbilders 24 ist wahlweise mit dem Mehrfachspeicher
4 oder dem Speicher 6 oder dem Speicher 15 verbunden, während der erste Eingang
b des Differenzbilders 23 mit dem Speicher 2 verbunden ist. Ihre zweiten Singänge
d sind gemeinsam an den Speicher 3 geführt. Ein Rechner 26 besitzt einen Ausgang
für den berechneten Wert 39, einen Ausgang 40 für eine Information über die Gültigkeit
des errechneten Wertes 39 und Eingänge für den Anschluß folgender Funktionseinheiten:
c1 cn für für den Mehrfachspeicher 4, d für den Speicher3, e für den Schwellwertdetektor
8, g für den Minimum-Maximum-Detektor 13, h für den Speicher 22 und St 3 sowie St
8 für eine Steuereinheit 27. Den Singang der Steuereinheit 27 bildet der Startsignaleingang
a Die Steuereinheit 27 verfügt außer über die Ausgänge St 3 und St 8 über Ausgänge
für den Anschluß folgender Funktionselemente: St 1 für den Speicher 2, St 2 für
den Speicher 3, St 3 für den Mehrfachspeicher 4 und den Mehrfachspeicher 12 (sowie
den Rechner 26), St 4 für den Minimum-hIaximum-Detektor 5 und den Schwellwertdetektor
11, St 5 für den Minimum-Maximum-Detektor 13, St 6 für den Speicher 16, St 7 für
den Speicher 17 und beide (St 6 und St 7) für den Differenbilder 20.
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Die Schaltungsanordnung arbeitet folgendermaßen: Die Funktion der
Schaltungsanordnung, die Bestandteil oder Zusatzgerät eines fotoelektrischen Trübungsmessers
ist, wird durch Steuersignale Sg 1 bis Sg 8 der Steuereinheit 27 gesteuert. Die
Numerierung der Steuersignale entspricht dabei der Numerie, rung der Ausgänge St
1 bis St 8 der Steuereinheit 27 sowie der ebenso bezeichneten korrespondierenden
Eingänge der Funktionseinheiten (2; 3; 4; 5; 11; 12; 13; 16; 17; 20; 26).
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Die Steuereinheit 27 wird durch ein Startsignal auf ihren Bingang
a in Betrieb gesetzt. Zum Zeitpunkt to veranlaßt das Steuersignal Sg 1 den Speicher
2 zur Speicherung des leerwertes 28, der am Eingang b des Differenzbilders 23 anliegt.
Das Steuersignal Sg 2 löst die Einspeicherung des Anfangswertes 29 in den Speicher
3 zum Zeitpunkt ta aus. Der Anfangswert 29 liegt an den .eingängen d der Differenzbilder
23; 24 an. Der Differen zbild er 23 bildet die Differenz aus Anfangswert 29 und
Leerwert 28, die auf den einen Eingang des Dividierers 25 gelangt.
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Das Steuersignal Sg 4 aktiviert den Minimum-Maximum-Detektor 5 und
den Schwellwertdetektor 11, das Steuersignal Sg 5 den Minimum-Maximum-Detektor 13
und das Steuersignal Sg 6 den Speicher 16 und den Differenzbilder 20. Nunmehr wirkt
eine Steuersignalfolge Sg 3 auf die Mehrfachspeicher 4 und 12 und den Rechner 26
ein, wodurch zu den Zeitpunkten t1 bis tn in den Mehrf achspeicher 4 Meßwerte 30
und in den Mehrfachspeicher 12 Meßwertdifferentiale 33 eingespeichert werden. Der
Minimum-Eaximum-Detektor 13 ermittelt das maximale Meßwertdifferential 34, das zum
Speicher 14 gelangt, und veranlaßt den Speicher 22 zur Fixierung des zugehörigen
Meßwertes 31. Die Meßwertdi:Lferentiale 33 erscheinen in der Fig. 1 als Anstieg
der Meßkurve. Das maximale Meßwertdifferential 34 entspricht dem Anstieg der keßkurve
in ihrem Wendepunkt, der durch den Meßwert 31 und den Zeitpunkt tw definiert ist.
Der Schwellwertdetektor 11 gibt an den Speicher 15 ein Signal zur Einspeicherung
eines Meßwertes 30, wenn dieser und sein Meßwertdifferential 33 vorgegebene Werte
unter- bzw. überschreiten. Der eingespeicherte Meßwert 30 kann wahlweise an einen
Eingang des Differenzbilders 24 gelegt werden. Anstelle dieses Meßwertes 30 können
auS denselben Eingang die gespeicherte Meßwertfolge des Mehrfachspeichers 4 oder
der von dem Minimum-Maximum-Detektor 5 ermittelte und im Speicher 6 gespeicherte
Endwert 32 gegeben werden. Die mit diesen und den weiter oben genannten Eingangsgrößen
in den Differenzbildern 23; 24 gebildeten Differenzen werden im Dividierer 25 einer
Quotientenbildung unterzogen0 Der Quotient ist der Ausdruck für die Endwert-Leerwert-Beziehung.
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Das am Speicher 16 eintreffende Steuersignal Sg 6 bewirkt die Einspeicherung
eines Meßwertes 35 zum Zeitpunkt tg, bevor in den Mehrfachspeicher 4 in konstanten
Zeitabständen Meßwerte 30 eingespeichert werden. Das Steuersignal Sg 7 verursacht
die Einspeicherung eines Meßwertes 36 in den Speicher 17 zum Zeitpunkt the Die Differenz
beider Meßwerte 35; 36 liegt am Ausgang des Differenzbilders 18 an. Diese Differenz
wird im Faktorgeber 19 mit einem konstanten Faktor multipliziert, während sie im
Dividierer 21 durch einen mit der Zeitdifferenz th - tg proportionalen Betrag dividiert
wird. Diese Meßwertdifferenzquotienten erscheinen in der Fig. 1 als der Anstieg
von Verbindungsgraden 37; 38, die mehr oder weniger dem Verlauf der Meßkurve angenähert
sind. Der Anstieg der Verbindungsgerade 37 basiert dabei auf eine konstante Zeitdifferenz,
der der Verbindungsgerade 38 auf eine variable Zeitdifferenz. Die Variabilität wird
insbesondere durch Veränderung des Zeitpunktes th erreicht. Der Schwellwertdetektor
8 bildet ein den Zeitpunkt tr des Reaktionsbeginns kennzeichnendes Signal, wenn
die am Differenzbilder 7 auftretende Differenz der Meßwerte 30; 29 einen Schwellwert
übersteigt. Das Signal stoppt die auf das Startsignal bezogene Zeitmessung des Zeitmessers
9.
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Wenn der Meßwert 30 nicht mehr abnimmt, fixiert der Minimum-Maximum-Detektor
5 diesen Sndwert 32 im Speicher 6 zum Zeitpunkt tee Die Meßwerte können auch wieder
zunehmen, wie in Fig. 1 als punktierte Linie angedeutet.
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Im Rechner 26 werden nach einem Programm folgende Größen verarbeitet:
die Meßwerte 30 des Mehrfachspeichers 4, der Anfangswert 29, das den Reaktionsbeginn
tr kennzeichnende Signal, das maximale Meßwertdifferential 34 und der Meßwert 31.
Der Berechnungsvorgang wird außer von dem internen Programm durch das Steuersignal
5g 3 und das Steuersignal Sg 8 gesteuert, welches den Abbruch des Rechenvorgangs
zum Zeitpunkt t5 und damit auch der Messung, aber auch die Freigabe für die neue
Messung zum Zeitpunkt tf veranlaßt. Zum selben Zeitpunkt enden alle Steuersignale
5g 1 bis 5g 8.
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Der Rechner 26 führt eine mathematische Berechnung des gesuchten Wertes
durch. Grundlage hierfür ist die Approximation der tatsächlichen Meßwertäderung
durch eine mathematische Funktion mit n Unbekannten. Zu diesem Zweck führt die Schaltungsanordnung
n Messungen entsprechend der Zahl der Plätze im Mehrfachspeicher 4 durch, während
der Rechner 26 den gesuchten Rechenwert über die mathematische Funktion berechnet.
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Für die Aggregationsmeßkurve gemäß Fig. 1 ist z. B. eine mathematische
Funktion
verwendbar, in der M den momentanen Meßwert 30, Md den zu errechnenden Endwert,
z. B. 32, K eine Konstante und t die Zeit repräsentiert.
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Berechenbar nach anderen Funktionen sind beispielsweise folgende Parameter:
Meßwertdifferentiale zu beliebigen Zeitpunkten, Kennwerte ausgewählter meßbereiche
der Meßkurve und der wahre Zeitpunkt des Reaktionsbeginns auf der Basis einer Null-Meßwertschwelle.
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Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen: 1 Anpaßschaltung 2 Speicher
für 28 3 Speicher für 29 4 Mehrfachspeicher für 30 5 Minimum-Maximum-Detektor 6
Speicher für 32 7 Differenzbilder 8 Schwellwertdetektor 9 Zeitmesser 10 Differenzierer
11 Schwellwertdetektor 12 Mehrfachspeicher für 33 13 Minimum-Maximum-Detdktor 14
Speicher für 34 15 Speicher 16 Speicher 17 Speicher 18 Differenzbilder 19 Faktorgeber
20 Differenzbilder 21 Dividierer 22 Speicher für 31 23 Differenzbilder 24 Differenzbilder
25 Dividierer 26 Rechner 27 Steuereinheit 28 Leerwert 29 Anfangswert 30 Meßwert
31 Meßwert bei tw 32 endwert 33 Meßwertdifferential
34 Maximales
Meßwertdifferential 35 Meßwert 36 Meßwert 37 Verbindungsgerade 38 Verbindungsgerade
39 berechneter Wert 40 Ausgang für Gültigkeitssignal a Startsignaleingang b Ausgang
von 2/Eingang von 23 c1...cn Ausgänge von 4/Eingänge von 24 und 26 d Ausgang von
3/Eingang von 23; 24 und 26 e Ausgang von 8/Eingang von 26 9 Ausgang von 15/ Eingang
von 24 g Ausgang von 13/Eingang von 22 und 26 h Ausgang von 22/Eingang von 26 k
Ausgang von 6/Eingang von 24 St 1 Ausgang von 27/Eingang von 2 St 2 Ausgang von
27/Eingang von 3 St 3 Ausgang von 27/Eingang von 4; 12 und 26 St 4 Ausgang von 27/Eingang
von 5 und 11 St 5 Ausgang von 27/Eingang von 13 St 6 Ausgang von 27/Eingang von
16 und 20 St 7 Ausgang von 27/Eingang von 17 und 20 St 8 Ausgang von 27/Eingang
von 26 Sg 1 - Sg 8 Steuersignale von 27 t Zeit to Zeitpunkt von 28 ta wxeßstaart
.und Zeitpunkt von 29 t1 bis tn Zeitpunkte von 30 und 33 te Zeitpunkt von 32 tf
Zeitpunkt der Freigabe für neue Messung tg Zeitpunkt von 35 th Zeitpunkt von 36
tr Reaktionsbeginn ts Zeitpunkt des Meßabbruches tw Zeitpunkt von 31 und 34