DE2818768C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Frequenz bzw. der Periodendauer der Grundschwingung eines annähernd periodischen Eingangssignales - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet,

daß jeweils während einer Periodendauer der Grundschwingung der Zeitpunkt festgestellt und angezeigt wird, §51 welchem derjenige der auf die Ursprungsspitzenwerte folgenden nächsten Spitzenwerte derausgelesenen Autokorrelationskurven auftritt, der den größten Amplituden wert hat, und
daß beim Auftreten dieses Zeitpunktes jeweils die Periodendauer bzw. die Frequenz abgeleitet wird.

2. Vorrichtung zum Messen der Frequenz bzw. der Periodendauer der Grundschwingung eines annähernd periodischen Eingangssignales mit statistisch verteilten Spektralanteilen unter Anwendung der Autokorrelation mit folgenden Bestandteilen:

a) eine Korrelationseinrichtung (20) zum Erzeugen und zum Auslesen einer Vielzahl von jeweils einen Ursprungswert und einen darauf folgenden nächsten Spitzenwert umfassenden Autokorrelationskurven während einer Periodendauer,

b) ein mit dem Ausgang der Korrelationseinrichtung verbundener Spitzenwertdetektor (30) zum Feststellen des Zeitpunktes, an dem der auf den Ursprungsspitzen wert folgende nächste Spitzenwert der jeweils ausgeleseni/i Autokorrelationskurve auftritt,

c) eine Einrichtung (40) zum Messen des Zeitintervalles zwischen dem Auftreten des Ursprungsspitzenwertes und des darat 'folgenden nächsten Spitzenwertes der jeweiligen Autokorrelationskurve und zum Ableiten der Frequenz bzw. der Periodendauer der Grundschwingung des Eingangssignales aus diesem Zeitintervall, und

d) eine Einrichtung (50) zum Nachstellen der Dauer der zu autokorrelierenden Signalabschnitte entsprechend der jeweils zuvor gemessenen Periodendauer,

40

gekennzeichnet durch

einen zusätzlichen Spitzenwertdetektor (6ü~>) mit einer Haltezeit, die etwas geringer ist als die kleinste mögliche Periodendauer der Grundschwingung des Eingangssignales, zum Feststellen des Zeitpunktes, an welchem jeweils derjenige derauf die Ursprungsspitzenwerte folgenden nächsten Spitzenwerte der während einer Periodendauer ausgelesenen Autokorrelationskurven auftritt, welcher den größten Amplitudenwert hat, und

eine Freigabeeinrichtung, die die Frequenz- bzw. die Periodenmessung jeweils freigibt beim Auftreten deä festgestellten Zeitpunktes.

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung zum Messen der Frequenz bzw. der Periodendauer der Grundschwingung eines annähernd periodischen Signales mit statistisch verteilten Spcktralanteilen gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2.

Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung sind bekannt aus DE-OS 25 46 856. Demgemäß ist es insbesondere möglich, die Herzschlagsfrequenz eines ungeborenen Kindes im wesentlichen in Echtzeit zu bestimmen, so daß nach Ablauf einer Herzschlagsperiode bereits deren Dauer angezeigt werden kann. Dazu werden elektrische Signale autokorreliert, die aus den an dem kindlichen Herzen reflektierten und aufgrund des Dopplereffektes frequenzverschobenen Ultraschallsignalen gewonnen werden. Während einer Herzschlagsperiode wird entsprechend den jeweils neu eintreffenden Ultraschallsignalen eine Vielzahl von AutokorrelationskuFven abgeleitet und zur Weiterverarbeitung ausgelesen. Aus der jeweiligen Länge des Zeitintervalles |§ zwischen dem Auftreten des Ursprungsspitzenwertes und des darauffolgenden nächsten Spitzenwertes jeder

'"'' ausgelesenen Autokorrelationskurve wird die Periodendauer bzw. die Frequenz des Herzschlages bestimmt. Da

zwischen zwei Herzschlägen bis zu 256 sich jeweils leicht voneinander unterscheidende Autokorrelationskurven ausgelesen werden, ergeben sich im allgemeinen entsprechend viele Werte für die Periodendaucr des Herzschlagssignales. Diese Werte nähern sich im Laufe einer Hentschlagsperiode der tatsächlichen Periodendauer und erreichen zum Zeitpunkt dss Eintreffens des nächsten Herzschlages den genauen Wert für die Periodendauer.

Da bei dem verwendeten Autokorrelationsverfahren jedoch die Phaseninformation über das Herzschlagssignal verlorengeht, ist ein Ausgeben des jeweils richtigen Wertes fürdie Periodendauer, also ein Ausgeben zum Zeitpunkt des Eintreffens eines Herzschlages, nicht möglich.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren bzw. die Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß ein Feststellen und eine Anzeige der Schlagzeitpunkte möglich s werden, so daß auch eine verbesserte Genauigkeit der Frequenzanzeige erreicht wird.

Für ein Verfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1 und für eine Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 2.

Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, daß bei den durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff erzeugten Autokorrelationskurven die Amplitude des auf den Ursprungsspitzenwert der jeweiligen Autokorrelationskurve folgenden nächsten Spitzenwertes abhängt von der zur Zeit des Erzeugens dieser Autokorrelationskurve herrschenden Größe des Eingangssignales. Somit kann das Eintreffen eines Herzschlages bestimmt werden, indem der Zeitpunkt festgestellt wird, an welchem derjenige der auf die Ursprungsspitzenwerte folgenden nächsten Spitzenwerte der ausgelesenen Autokorreiationskurven auftritt, der den größten Amplitudenwert hat Die Ableitung der Periodendauer der Grundschwingung aus dem zeitlichen IS Abstand des Ursprungssp-itzen wertes zu dem darauffolgenden nächsten Spitzenwert wird zu den festgelegten Zeitpunkten durchgeführt, so daß die genaue Periodendauer bzw. die genaue Frequenz bestimmt und angezeigt werden kann.

Aus der DE-OS 25 48 799 ist es im Zusammenhang mit einem Kreuzkorrelationsverfahren bekannt, das Eingangssignal mit einem Vergleichssignal zu korrelieren, so daß das entstehende kreuzkorrelierte Signal Maxima aufweist, die jeweils in Echtzeit dem Eintreffen eines Herzschlages entsprechen. Aus dem zeitlichen Abstand dieser Maxima kann die Periodendauer d*j5 Herzschlages bestimmt werden. Dabei wird ausgenutzt, daß bei einem derartigen Kreuzkorrelationsverfahren im Gegensatz zu dem Autokorrelationsverfahren gemäß der Erfindung die Information über die Phase des Eingangssignales grundsätzlich immer erhalten bleibt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 das Gesamt-Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Periodendauer- bzw. Frequenzmessung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild des in Fig. 1 enthaltenen Korrektors;

Fig. 3 das Schaltbild des in Fig. 1 enthaltenen Spitzenwertdetektors;

Fig. 4A und B Kurvenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise des Spitzenwertdetektors nach Fig. 3;

F i g. 5 ein Blockschaltbild der in F i g. 1 enthaltenen Rechenschaltung zur Ableitung der Signalfrequenz aus dem Abstand der Spitzenwerte der Autokorrelationskurve;

Fig. 6 Kurvenlbrmen zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 5; und

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Ausgabeschaltung zur Schlaganzeige.

InFig. 1 ist schematisch das Herz 1 eines Fötus 2 dargestellt, der sich im Mutterleib 3 befindet. Mit 4 ist ein Ultraschallaufnehmer bezeichnet, der die vom Herzen 1 reflektierten Ultraschallsignale aufnimmt und über eine geeignete Zwischenschaltung 5 an eine Signalaufbereitungseinrichtung 10 weiterleitet. Zur Vereinfachung der Darstellung ist der Ultraschallsender, dessen Frequenz im vorliegenden Beispiel 2,1 MHz beträgt nicht dargestellt. Die Signalaufbereitungseinrichtung 10 kann beispielsweise von der Art sein, wie sie in der eingangs erwähntem DE-OS 25 46 856 beschrieben ist. Sie erzeugt mittels regelbarer Verstärkerstufen, Hüllkurvendetektor und nachgeschalteter steuerbarer Filter ein für die Weiterverarbeitung im Korrelator 20 aufbereitetes Signal.

Das aufbereitete Signal gelangt in den Korrelator 20, der eine Autokorrelationskurve an einen Spitzenwertdetektor30 abgibt, welcher den Abstand zwischen dem Ursprungsspitzenwert und dem ersten wesentlichen Spitzenwert der Autokorrelationskurve mißt. Das diesen Abstand darstellende Signal wird in einen Kehrwertbildner 40 gegeben, der aus dem Zeitsignal ein der Herzschlagfrequenz entsprechendes Signal erzeugt. Das der Herzsehlagfrequcnz entsprechende Signal wird einer Anzeige 6 und einem Schreiber 7 zugeführt, von denen es optisch angezeigt bzw. aufgezeichnet wird.

Mit 50 ist eine Steuersinrichtung bezeichnet, die auf bestimmte Bedingungen in den Schaltungen 10,20,30 und 40 anspricht und dementsprechend in diesen Schaltungen bestimmte Parameter einstellt bzw. optimiert. Die Steuereinrichtung 30 schaltet auch die Anzeige 6 und den Schreiber? ab, wenn sich aus den festgestellten so Bedingungen ergibt, daß eine fehlerhafte Anzeige bzw. Aufzeichnung erfolgen würde.

In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild des in Fig. 1 mit 20 bezeichneten Autokorrelators dargestellt. An der Eingangsklemme 201 des Autokorrelators wird das Ausgangssignal der Signalaufbereitungseinrichtung 10 empfangen. Dieses analoge Eingangssignal wird in einem Analog/Digital-Wandler 203 in eine Folge von digitalen Signalen umgewandelt, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel Zweierkomplement-Binärzahlen mit festem Komma sind und vier Bits lang (ein Vorzeichenbit und drei Ziffernbits) sind.

Die Abtastfrequenz beträgt im vorliegenden Fall 200 Hz entsprechend einer Abtastperiode von 5 ms. An seinem Ausgang 229 liefert der Autokorrelator alle 5 ms durch Auslesen seines Ausgangsregisters 223 eine Zahlenfolge, die jeweils einer Autokorrelationsfunktion entspricht.

Das Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers 203 wird über einen Eingangspuffer 205 einerseits und einem Schieberegister 209 und andererseits einem ersten Multiplizierer 213 zugeführt. Das Schieberegister 209 kann 256 4-iBit Worte aufnehmen. Zusammen mit einem Zusatzregister 211 für ein Wort und einer Z'rkulationsstcuerung 207 wird eine Zirkulationsschleife 210 Tür 257 Worte gebildet. Betrachtet man einen Umlauf von 256 Worten als Zirkulationsperiode, scheint die Zirkulationsschleife 210 ihren Inhalt je Periode um einen Schritt zu verschieden. Nach jedem Umlauf wird in den ersten Speicherplatz an Stelle des dort ankommenden ältesten Diitenwortes ein neues Datenwort eingegeben.

Der erste Multiplizierer 213 bildet Produkte aus den im Schieberegister 209 enthaltenen Datenworten und dem im Eingangspuffer 205 enthaltenen Datenwort. Pro Umlauf erscheint an der Zirkulationssteuerung 207

einmal der gesamte Inhalt des Schieberegisters 209. Der Inhalt des Eingangspuffers 205 ändert sich während dieser Zeit jedoch nicht. Damit ergibt sich als Ausgangssignal des Multiplizierers 213 für den A-te η Schritt der /i-ten Zirkulationsperiode das Produkt

/>,„.„ = D„ D_1n. <,. (1)

A kann auch als logischer Speicherplatz des Datenregisters, und η kann auch als die Echtzeit betrachtet werden. D sind die 4 Bit langen Datenwörter, und P ist das maximal 8 Bit lange Produkt.

Werden diese P_t„ _k) für jedes k über eine bestimmte Periode integriert, so erhält man die Aulokorrelationen Tür jedes k. Würde man jedoch alle ΛWerte bearbeiten wollen, wäre ein sehr großer Speicher erforderlich. Durch die im folgenden beschriebene exponentiell Integration wird ein solcher großer Speicher entbehrlich.

Ein erster Addierer 215 addiert den Ausgangswert des ersten Multiplizierers 213 zu dem Komplement des jeweils alten Korrelationswertes in einem Korrelationsregister 223. Der Korrelationswert gelangt über einen Ausgangspuffer 225 und einen Komplementierer 231 in den ersten Addierer 215. Dessen Ausgangswert ist

C — D — /** f)\

•Jf«. λι ~ "ui.k) <-,„.|> , UJ

dabei ist C der Korrelationswert und S die Zwischensumme.

Die Zwischensumme 5,„._u wird in einem zweiten Multiplizierer 217 mit einer an einem Eingang 219 vorgegebenen positiven Konstante multipliziert, die hiermit 1/2^V angenommen wird. Dies hat den Vorteil, daß der zweite Multiplizierer 217 als einfacher Datenmultiplexer aufgebaut werden kann, sofern /V eine natürliche Zahl ist.

Der Ausgangswert des zweiten Multiplizierers 217 wird in einem zweiten Addierer221 zum jeweils alten Korrelationswert im Korrelationsregister 223 addiert. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, bilden zweiter Addierer 221, Korrelationsregister 223 und Ausgangspuffer 225 eine Zirkulationsschleife 223. Eine weitere Zirkulationsschleife umfaßt außerdem noch den Komplementierer 231, dei ersten Addierer 215 und den zweiten Multiplizierer 217. Diese beiden Schleifen laufen synchron mit der Zirkulationsschleife 210 um. Für die Korrelationswerte in der Schleife 223 gilt

Die obere Form der Gleichung stellt dabei die Beziehung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Werten am Ausgang 229 dar, während die untere Form den Gesamtzusammenhang zwischen Daten und Korrelationen wiedergibt. Es ist ersichtlich, daß die alten Korrelationen im Korrelationsregister mit einer durch N bestimmten Zeitkonstanlen kleiner werden und daß die hinzukommenden neuen Produkte die bestehenden Korrelationswerte auffrischen. Integriert (summiert) man die Gleichung (3), so ergibt sich

"" "

Unter der Voraussetzung, daß /Vgroß ist, entspricht diese Gleichung dem analogen Autokorrelations-Integral

F,., η = — I /ω ■/('-rtexp (-—} df, (5)

a J [ a I

I ' ti

dabei sind

F die Autokorrelation,

/ das zu untersuchende Signal,

α die äquivalente Datenlänge (Zeitkonstante),

/₀ die Echtzeit,

t der Integrationsparameter (<0) und

τ die Zeitverschiebung.

Vergleicht man die Gleichungen (4) und (5) miteinander, so ergibt sich für die äquivalente Datenlänge 7"„ = a = m_rq ■ (5 msec). (6)

Unter der Voraussetzung, daß N groß ist, gilt

m =2^Λ bzw. /V = log₂m_f„. (7a, 7b)

Aus den Gleichungen (6), (7) läßt sich folgende Tabelle ableiten:

/V m,.„

5	32
6	64
7	128
8	256
9	512

160 ms 320 ms 640 ms 1,28 s

2,56 s ίο

Für die mögliche fötale Herzschlagperiode (283 bis 1250 ms entsprechend 48 bis 212 Schlagen pro Minute) sind die passenden Werte/V dementsprechend 6,7, oder 8. Zwischen diesen Werten kann sich /V von Periode zu Periode ändern.

Am Ausgang 229 des in Fig. 2 dargestellten Korrelators erscheint alle 5 ms sein gesamter Registerinhalt für alle Zeitverschiebungswerte. Das Signal am Ausgang 229 kann nach Umwandlung in analoge Form auf einem Oszillografen als Autokorrelationskurve sichtbar gemacht werden, wenn dieser Oszillograf entsprechend der Zirkulationsperiode alle 5 ms getriggert wird.

Der Ausgangspuffer 225 weist einen Rückstelleingang 227 auf, über den der Inhalt der Zirkulationsschleife 223 ganz oder teilweise gelöscht werden kann. 20 |i

Der Korrelator gemäß Fig. 2 entspricht in Aufbau und Arbeitsweise weitgehend dem Korrelator Modell μ

372IA von Hewlett-Packard.

In Fig. 3 ist die Schaltung des in Fig. 1 mit30 bezeichneten Spitzenwertdetektors dargestellt. Die Eingangsklcmme 301 ist mit dem Ausgang 229 des Korrelators verbunden. Das dort ankommende Signal wird zunächst in JJ

einem Digital/Analog-Wandler 303 in eine analoge Kurve umgesetzt und in einem Tiefpaß 305 geglättet. 25 <|j

Einem weiteren Eingang 332 wird eine Taktfrequenz von 200 Hz zugeführt, die in einem Frequenzteiler 333 ||

auf 100 Hz halbiert wird. Mit dieser halbierten Frequenz wird über eine Steuerschaltung 335 ein Schalter S1 iß

bctiitigt. Der Schalter 51 läßt die Autokorrelationskurve während jeder ungeraden Zirkulationsperiode zu $j

einem Verstärker 310 durch und sperrt sie während jeder geraden Zirkulationsperiode. Sj-

Im Verstärker 310 wird der Spitzenwert des ankommenden Signals von einem Operationsverstärker 307 zwei 30 J

Ha'-ekondensatoren 315 und 313 zugeführt. Außerdem erfolgt eine Rückkopplung über einen Rückkopplungs-

verstärker 309 zum Eingang des Operationsverstärkers 307. Die Rückkopplung und damit die Regelung des ^;.|

Gesamtverstärkungsfaktors des Verstärkers 310 erfolgt über eine Regelschleife, die einen Operationsverstärker H

311 und ein Opto-elektronisches Bauelement LD, R1 enthält. §

Der Kondensator 315 liegt wegen seines Anschlusses am Eingang eines Operationsverstärkers 317 virtuell an 35 fi

Masse, während der Kondensator 313 unmittelbar an Masse gelegt ist. Die Spannungen an beiden Kondensato- |

ren folgen der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 307, solange diese ansteigt. Wegen der Dioden D 2 ψ

und D 3 sinkt die Spannung an den Kondensatoren 315 und 313 jedoch nicht ab, wenn die Ausgangsspannung "

des Operationsverstärkers 307 abfällt. :

Die Entladezeitkonstante des Kondensators 313 ist wesentlich länger als die Wiederholperiode des Signals 40 l... (10 ms), jedoch kürzer als die Herzschlagperiode. Dadurch ergeben sich keine Verzerrungen in der Auto-Korrelationskurve, aber es ist eine Amplitudenregelung für aufeinanderfolgende Herzschlagperioden möglich.

Die Spannung am Kondensator 313 kann daher als der höchste Spitzenwert der laufenden Korrelationskurve betrachtet werden. Der Zeitpunkt des höchsten Spitzenwertes wird folgendermaßen festgestellt: Eine mit der halbierten Taktfrequenz von 100 Hz gespeiste Steuerschaltung 337 schließt Schalter 5 2 und 53 für ein sehr kurzes Zeitintervall am Beginn jeder Taktperiode. Zu diesen Zeitpunkten wird die Spannung am Kondensator 313 über den Operationsverstärker 311 und einer Diode β 4 zum Kondensator 315 übertragen. Der Schalter 53 bewirkt, daß ein Zeitglied 320 zurückgestellt und gestartet wird. Das Zeitglied 320 weist einen Kondensator C₃ auf, der von Startzeitpunkt an kontinuierlich aufgeladen wird. Ein Komparator 321 bleibt zunächst auf seinem unieren Ausgangspegel und sperrt einen Feldeffekttransistor β 2, so daß das Aufladen des Kondensators 315 nicht beeinflußt wird. Nachdem der Kondensator C₃ jedoch den Schwellwert des Komparators 321 erreicht hat, geht dieser an seinem Ausgang auf einen höheren Pegel, wodarch der Transistor Q 2 geöffnet wird und der Kondensator 315 beginnt, sich zu entladen. Diese Entladung erfolgt jedoch nur bis zu einer Spannung, die durch einen Spannungsteiler R 2 vorgegeben ist und etwa 70 bis 85% der vom Kondensator 313 gehaltenen Spannung betragen sollte. Dadurch wird verhindert, daß der Spitzenwert-Detektor auf kleinere Spitzen anspricht, die zwischen den Hauptspitzen liegen, deren gegenseitiger Abstand gemessen werden soll.

Die Rückstellung und der Start des Zeitgliedes 320 kann außer mit dem Schalter 53 auch durch einen Transistor Q1 erfolgen. Dies erfolgt immer dann, wenn das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 307 einen Spitzenwert erreicht, der über die Haltesparmung am Kondensator 315 hinausgeht. In diesem Fall schaltet ein Polaritätsdetektor 317 den Transistor Q1 durch, so daß in der Folge der Transistor Q 2 gesperrt wird und die Lade- und Haltefolge des Kondensators 315 nicht beeinflußt wird.

Das Ende der Aufladeperiode entspricht der Lage des wesentlichen Spitzenwertes, obwohl die Auto-Korrelationskurve um diesen Spitzenwert herum mehrere kleinere Spitzenwerte aufweist. Der Zeitpunkt wird, abgesehen von einer gewissen Zeitverzögerung, durch das Umschalten des Ausgangssignals des Komparators 321 angezeigt- Die Zeitverzögerung beträgt im vorliegenden Beispiel 1 ms, was 256 ms des Echtzeitsignals entspricht.

In F i g. 4 sind die Signalverläufe an den in F i g. 3 mit α bis η bezeichneten Punkten dargestellt. Es ist ersichtlich, daß beim zweiten Umschaltzeitpunkt r₃ des Zeitgliedes 320 (das erste Umschalten entspricht dem

Ursprungsspitzenwert bzw. der Betätigung des Schalters S T) der Lage des wesentlichen Spitzenwertes der Autokorrelationskurve entspricht. Mittels eines monostabilen Flipflops 323 [Fig. 3) wird ein Impuls g erzeugt, der über ein UND-Glied 327 an die Ausgangsklemme 329 des Spitzenwertdetektors abgegeben wird. Die Abstiegsflanke des Impulses g bewirkt das Setzen eines Flipflops 325, welches seinerseits über ein Signal/ das UND- Glied für den Durchlaß weiterer, den nachfolgenden Spitzenwerten der Auto-Korrelationskurve entsprechenden Impulsen sperrt. Das Flipflop 325 ist durch ein weiteres Zeitglied 330 wieder rückstellbar. Der Rückstellzeitpunkt ist so gewählt, daß er kurz nach dem Ursprungsspitzenwert liegt. Das Ausgangssignal d des Polaritätsdetektors 31? ist über eine Ausgabeschaltung 319 auch als Signal m an einem zusätzlichen Ausgang 318 abgreifbar. Der vorstehend beschriebene Spitzenwertdetektor entspricht in Aufbau und Wirkungsweise im wesentlichen dem in der DE-AS 21 43 971 beschriebenen Spitzenwertdetektor. Gegenüber letzterem ist er jedoch dahingehend abgewandelt, daß er nicht direkt eine gegebene Signalkurve in Echtzeit abgetastet, sondern die Autokorrelationskurve in einem verkürzten Zeitmaßstab.

Abgesehen davon erfolgt die Messung vom durch den Taktgeber festgelegten Ursprung bis zum ersten wesentlichen Spitzenwert und nicht zwischen zwei Spitzenwerten. Da in einem komprimierten Zeitmaßstab gearbeitet wird, das heißt zwischen zwei Herzschlägen bis zu 256 Messungen vorgenommen werden, können während der laufenden Herzschlagperiode falsche Meßwerte eliminiert und durch bessere ersetzt werden, während bei einer Echtzeitmessung erst in der nächstfolgenden Herzschlagperiode ein neuer Meßwert erhalten werden kann.

In Fig. 5 ist der in Fig. 1 mit 40 bezeichnete Kehrwertbildner dargestellt. Die zugehörigen Signalverläul'e

zeigt Fig. 6.

Ein Funktionsgenerator 403 erzeugt eine 1/r-Hyperbel. Dem Funktionsgenerator403 wird an seinem Eingang 402 die halbe Taktfrequenz von 100 Hz zugeführt, die am Ausgang339 des Spitzenwertdetektors (F i g. 3) anliegt. Die Erzeugung der 1//-Hyperbe! erfolgt auf einen Impuls hin. Zum interessierenden Zeitpunkt wird diese Hyperbel abgetastet, und der so erhaltene Abtastwert stellt ein direktes Maß für die dem gemessenen Zeitintervall entsprechende Frequenz dar. Im vorliegenden Beispiel ist die Hyperbel gegenüber dem Ursprung um eine Verzögerungszeit T₁, verschoben, die der Verzögerungszeit des Zeitgliedes 320 (F i g. 3) entspricht. Um unnötige Koordinatenwerte der Hyperbel zu vermeiden, bleibt der Funktionsgenerator 403 außerdem noch Tür eine Zeitdauer T₀ auf einem konstanten Wert, ehe er mit der Erzeugung der Hyperbel beginnt.

Das Signal η am Ausgang329 des Spitzenwertdetektors (Fig. 3) wird dem Eingang401 des Kehrwertbildners zugeführt. Ein Zeitfenstererzeuger 407 steuert eine Torschaltung 409, die das Signal η nur während der erwarteten Impulszeitpunkte durchläßt, wobei allerdings eine Abweichung von±25 Herzschlägen pro Minute zugelassen wird. Der Öffnungs- und der Schließzeitpunkt des Zeitfensters sind in Fig. 6 mit f_u und t_n bezeichnet. Der Zeitfenstererzeuger 407 wird seinerseits vom gemessenen Frequenzwert geregelt, der zur Stabilitätserhöhung über einen Tiefpaß 415 geleitet wird. Ein Fehlerdetektor 417 spricht an, wenn während des Zeitfensters kein Impuls durch die Torschaltung 409 hindurchkommt und vergrößert dann nach und nach die Breite des Zeitfensters.

Eine Abtastschaltung 405 tastet bei Durchlaß eines Impulses durch die Torschaltung 409 den diesem Zeitpunkt entsprechenden Hyperbelwert ab und hält ihn fest. Ein Begrenzer 411 begrenzt den von der Abtastschaltung 405 abgegebenen Frequenzwert auf den Bereich zwischen 48 und 212 Herzschlägen pro Minute, um eine Übersteuerung der Anzeige 6 bzw. der Schreibers 7 (Fig. 1) zu vermeiden.
Eine zweite Halteschaltung 413 dient dazu, fehlerhafte Abtastwerte der Abtastschaltung 405 auszublenden und stattdessen den jeweils vorhergehenden Wert am Ausgang 419 abzugeben. Die Steuerung der zweiten Abtastschaltung 413 erfolgt über einen Eingang 420 derart, daß nur auf ein eingegebenes Signal hin der Wert am Ausgang 419 aktualisiert wird.

In F i g. 7 ist dargestellt, wie sich erfindungsgemäß aus der Autokorrelationskurve eine Schlaganzeige ableiten läßt. Das Signal am Ausgang 229 (Fig. 2) des Korrelators 20 wird über einen Schalter 601 zusätzlich einem Spitzenwertdetektor 603 zugeführt. Der Spitzenwertdetektor 603 hat grundsätzlich den gleichen Aufbau wie der in Fig. 3 dargestellte Spitzenwertdetektor 30. Die Haltezeit des Spitzenwertdetektors 603 ist jedoch wesentlich länger als die des in F i g. 3 dargestellten Spitzenwertdetektors. Sie beträgt etwas weniger als die kleinste zu messende Periodendauer. Der Spitzenwertdetektor 603 gibt an seinem Ausgang 605 ein Signal ab, wenn am Eingang 201 (F i g. 2) des Korrelators 20 ein neuer Herzschlag eintrifft, da immer dann das zeitliche Maximum des auf den

so Ursprungsspitzenwert folgenden Spitzenwertes der Autokorrelationskurve auftritt.

Der Schalter 601 wird so gesteuert, daß nur der interessierende Teil der Autokorrelationskurve um den Hauplspitzenwert herum über den Spitzenwertdetektor 603 läuft. Die Steuerung des Schalters erfolgt über ein Flipflop 607, das den Schalter geschlossen hält, wenn es gesetzt ist, und ihn ansonsten geöffnet läßt. Das Setzen des Flipflops 607 erfolgt über eine Verzögerungsschaltung 609 durch das Startsignal der Steuerschaltung 335 (Fig. 3).

Gelöscht wird das Flipflop 607 durch das Ende des Zeitfenstersignals des Zeitfenstererzeugers 407(Fi g. 5). Die Verzögerungszeit der Verzögerungsschaltung 609 ist etwas kleiner als die kleinstmögliche zu messende Periodendauer geteilt durch 200 entsprechend der Abtastfrequenz von 200 Hz.

Während einer Echtzeit-Periodendauer laufen somit etwa 100 Spitzenwerte in den Spitzenwertdetektor 603 ein, entsprechend der Anzahl der ausgegebenen Autokorrelationskurven am Ausgang 229 (Fig. 2). Der höchste Spitzenwert davon bewirkt dann jeweils ein Ansprechen des Spitzenwertdetektors 603.

Die beschriebene Schaltung hat den Vorteil, daß eine phasenrichtige Ausgabe des Herzschlages am Ausgang 605 möglich ist, wobei gleichzeitig das günstige Signal/Rausch-Verhältnis einer kontinuierlichen Korrelation erhalten bleibt. Dadurch ergibt sich auch eine sehr hohe Triggerzuverlässigkeit, wenn man das Signal am Ausgang 605 als Freigabesignal für die Frequenzausgabe benutzt, was dadurch geschehen kann, daß dieses Signal in den Eingang 420 (Fig. 5) eingegeben wird.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen der Frequenz bzw. der Periodendauer der Grundschwingung eines annähernd periodischen Eingangssignales mit statistisch verteilten Spektralanteilen unter Anwendung der Autokorre- !ation mit folgenden Verfabrensschritten:

a) Erzeugen und Auslesen einer Vielzahl von jeweils einen Ursprungsspitzenwert und einen darauffolgenden nächsten Spitzenwert umfassenden Autokorrelationskurven während einer Periodendauer,

b) Feststellen des Zeitpunktes, an dem für jede Autokorrelationskurve der auf den Ursprungssp'tzenwert folgende nächste Spitzenwert auftritt,

c) Messen des Zeitintervalles zwischen dem Auftreten des Ursprungsspitzenwertes und des darauffolgenden nächsten Spitzenwertes der jeweiligen Autokorrelationskurve,

d) Ableiten der Periodendauer der Grundschwingung des Eingangssignales aus dem jeweils gemessenen Zeitintervall,

e) Nachstellen der Dauer der zu autokorrelierenden Signalabschnitte entsprechend der jeweils zuvor gemessenen Periodendauer,