JPS6362410A - 微小信号増幅装置およびこれを用いた自動利得制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は微小信号増幅装置に関するもので、特に心臓ペ
ースメーカにおける心臓刺激速度変化に用いられるもの
である。

（従来の技術） 心機能の低下した患者に対して心拍速度を調整するペー
スメーカが使用される。ペースメーカは生体のエネルギ
ー消費に応じて心臓刺激速度を変化させることが望まし
く、このため、生体のエネルギー消費の増大に伴って心
拍数と共に増加する呼吸速度に着目し、呼吸速度を検出
して心臓刺激速度を変化させる可変型ベースメーカが従
来提案されている。

このようなペースメーカの動作時において、呼吸により
変化する胸部インピーダンスは不変化分である基本イン
ピーダンスと呼吸変動分より成っており、基本インピー
ダンスは数十〜数百Ω、呼吸変動分は例えば数分の１Ω
〜数Ωであるため、電圧の変化としては例えば数分の１
μＶ〜数μＶの微小電圧範囲となる。したがってこの呼
吸信号を基本信号から分離し、０，５Ｖ程度の検出レベ
ルまで増幅するためには約１０８オーダの利得を有する
呼吸検出回路が必要とされる。

なお、ペースメーカでは埋込み後の電池の消費電力を小
さくするため胸部インピーダンスの検出は微小娠幅、微
小パルス幅のパルス処理によって行なわれる。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、前述した高利得の増幅器はＩ！雑であり
大型かつ消費電力も多く、小型、軽量を要求されるペー
スメーカには適していない。

そこで本発明は非常に小さなベースで大きな利得を得る
ことのできる微小信号増幅装置を提供することを目的と
する。

また、不規則な雑音を含む微小信号を取扱う増幅器では
所期のＳ／Ｎ比を得ることができないという問題がある
。

そこで本発明はＳ／Ｎ比を改善した微小信号増幅装置を
提供することを目的とする。

さらに、本発明はこのような微小信号増幅装置を含み、
高利得状態で利得制御が可能な自動利得制御装置を提供
することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明にかかる微小信号増幅装置においてはサンプリン
グされた入力信号のピーク値をホールドするピークホー
ルド回路と、このピークホールド回路の出力信号のうち
少なくとも直流成分を除去する濾波器と、この濾波器の
出力信号を増幅して出力する出力増幅器とを備えるよう
にし、また、サンプリングされた入力信号のピーク値を
ホールドするピークホールド回路と、このピークホール
ド回路の出力信号のうち少なくとも直流成分を除去する
濾波器と、この濾波器の出力信号を増幅して出力する出
力増幅器とを備え、サンプリング時点が互いに異なるよ
うに設定された複数の増幅装置と、この複数の増幅装置
の出力信号を加算する加算回路とを備えるようにしてい
る。

さらに、本発明にかかる自動利得制御装置においては入
力信号をサンプリングするサンプリング回路と、このサ
ンプリング回路によりサンプリングされた入力信号のピ
ーク値をホールドするピークホールド回路と、このピー
クホールド回路の出力信号のうち少なくとも直流成分を
除去する濾波器と、この濾波器の出力信号を増幅して出
力する出力増幅器と、この出力増幅器の出力のレベルを
検出するレベル検出器と、このレベル検出器の出力を所
定レベルと比較し、その比較結果にもとづいて前記ピー
クホールド回路のホールドパルス幅を変化させる制御回
路とを備えている。

（作　用） 本発明による微小信号増幅装置では、パルス幅が非常に
狭く、各パルス間の高さの差がきわめて小さいエネルギ
ーの小さい信号をピークホールド回路に通すことにより
エネルギーを増大しておき、この状態で濾波器を通すこ
とにより微小変動信号を容易に分離して取出すことが可
能になる。

また、微小信号はノイズの影響を受けやすいが、サンプ
ング時点を互いに変えた複数の微小信号増幅回路の出力
を加算することによりノイズを低減させている。

さらに、本発明による自動利得制御回路ではピークホー
ルドされ濾波された信号のレベル検出によりサンプリン
グされた入力信号のパルス幅を変化させ、出力信号のレ
ベルを一定に保つようにする。

（実施例） 以下図面を参照して本発明の実施例のいくつかを詳細に
説明する。

第１図は本発明にかかる微小信号増幅装置の一実施例の
構成を示すブロック図である。

取出された電圧または電流のサンプリング信号はまずバ
ッファ増幅器１１で増幅され、その出力は信号増幅器１
２を経てピークホールド回路１４に入力されると共に、
分岐されてパルス整形器１３に入力され、ホールド用の
パルスに整形されてピークホールド回路１４に入力され
る。ピークホールド回路１４でピーク値がホールドされ
た波形は帯域濾波器１５により復調され、出力増幅器１
６により増幅されて取出される。また、レベル検出放電
回路１７が設けられており、出力増幅器の出力を所定レ
ベルと比較して過大入力である場合に帯域濾波器５のコ
ンデンサの電荷を放電し出力増幅器６の直流レベルを基
準レベルに戻すリセット作用を行なっている。

第２図は第１図とほぼ同様の構成を有する微小増幅装置
の一例の詳細な構成を示す回路図である。

入力端子Ｔ１から入力抵抗Ｒ１を介して入力された信号
は演算増幅器ＯＰＩ、ＯＰ２、抵抗Ｒ２゜Ｒ３、コンデ
ンサＣＩ、Ｃ２より成るバッファ増幅器を通り、演算増
幅器ＯＰ３、抵抗Ｒ６，Ｒ７より成る信号増幅器と演算
増幅器ＯＰ４、抵抗Ｒ８〜Ｒ１１、ダイオードＤ１より
成るパルス整形器に分岐され、それぞれピークホールド
回路ＰＨに入力され、信号増幅器の出力が整形されたパ
ルスによってホールドされる。ピークホールド回路ＰＨ
の出力は入力側に抵抗Ｒ１２およびコンデンサＣ４，Ｃ
５によるハイカットフィルタを、出力側にコンデンサＣ
６，Ｃ７および抵抗Ｒ１３によるローカットフィルタを
それぞれ有する演算増幅器ＯＰ５により構成される帯域
増幅器により帯域増幅され、さらに演算増幅器ＯＰ６お
よび抵抗Ｒ１７〜Ｒ１９で構成される出力増幅器により
増幅されて出力端子Ｔ２より出力される。なお、演算増
幅器ＯＰ２の入力端子と接地抵抗Ｒ４の接続点に抵抗Ｒ
５が接続されてスイッチＳＷの一方側端子に接続され、
また演算増幅器ＯＰ６の入力側にはエミッタが接地され
、ベースがスイッチＳＷの他方側に接続されたＮＰＮ型
トランジスタＱ１抵抗Ｒ１４〜Ｒ１６、ダイオードＤ２
よりなるスイッチ回路が接続されている点が第１図の場
合とは異なっている点である。スイッチＳＷはマニュア
ル操作されるようになっており、ＮＣ側が選択されてい
るときはトランジスタＴｒはオフとなっているがＮｏ側
が選択されたときにはコンデンサＣ１、Ｃ２に蓄積され
た電荷が放出されると共に、トランジスタＴＲのベース
に電源電圧が加わるためトランジスタＴＲが導通し、コ
ンデンサＣ６゜Ｃ７に蓄積された電荷が放出され、全体
の直流レベルを基準レベルに戻すことができる。

出力端子Ｔ２から取出された出力信号はアナログ信号の
ままモニタ表示装置や記録装置に送られ、あるいはディ
ジタル変換されてディジタル表示装置等で表示されるこ
とになる。

第３図は第１図の装置における動作を示す信号波形図で
あって、バッファ増幅器１１の入力端子に第３図（ａ）
に示すサンプリング波形が入力されたとする。このサン
プリングパルスは例えば幅１２０μｓｅｃ、パルス間隔
１２５ｍ５ｅｃｓ分極電圧１００ｍＶ、波高値３０ｍＶ
であり、パルスのピークは呼吸によるインピーダンス変
化を表わしているが、理解を容易にするためピーク値の
変化およびパルス幅は実際よりも大きく描いである。

第３図（ａ）に示すサンプリングパルスはピークホール
ド回路１４により各パルスのピーク値がホールドされ、
第３図（ｂ）のようになる。第３図（ａ）におけるパル
ス幅がごく微小であることを考えるとサンプリング信号
におけるエネルギー（（ピーク値）２Ｘパルス幅を加算
し時間平均したもの）が著しく増加していることがわか
る。したがってフィルタリングにより高周波部分をカッ
トすれば第３図（Ｃ）に示すようなアナログ波形が得ら
れ、これは呼吸によるインピーダンス変化に対応してい
る。

このときの利得ＧＲはパルスの諸元が前述のようであり
、呼吸がＩＨｚ、ベーシングパルスレートが８　ＰＰＳ
であったとすれば、サンプリング理論を用いて ピークホールド信号振幅 ＧＲ調□ 原サンプリング信号振幅 Δ Ｔ。

となる。

ここでＴ　　＝１／８　（ｓｅｅ） Δ　麿１２０μｓ を代入するとＧＲ１００となり、きわめて高い増幅率を
得ることができる。

このため、全体として所望の増幅率を得るために他の増
幅回路で大きな増幅率を必要とせず、全体の構成が単純
化される。またこのようにすることにより呼吸検出パル
スのパルス幅およびパルス電流を減少させることが可能
となり、ベースメーカの電源寿命を著しく延長させるこ
とができる。

第４図および第５図は本発明にかかる微小信号増幅装置
を呼吸検出回路２４および３０として組込んだベースメ
ーカを示すブロック図である。

第４図は定電流型のものを示しており、呼吸検出用の発
振器２１から出力されたパルス幅１２０μｓｅｃ　、周
期８Ｈｚｓパルス電流２００μＡのパルスは定電流回路
２２を経て胸部インピーダンス２３に印加される。胸部
インピーダンス２３は周知の刺激電極および不感電極間
のインピーダンスであって呼吸により変動する。このイ
ンピーダンス変化に応じて取出される電圧変化は呼吸検
出回路２４により検出され、その出力は制御回路２５を
経て心臓刺激パルス発振器２６に加えられ、このパルス
は定電流回路２７により心室の心臓インピーダンス２８
に対して定電流が与えられるようになっている。

なお、制御回路２５と定電流回路２２との間にしゃ断回
路２９が設けられており、心臓刺激パルス発振器２６か
らベーシグパルスが出力されたときは入力をしゃ断して
誤動作を防止するようにしている。

第５図は第４図とほぼ同様のベースメーカであって相違
点は定電流回路２２の代わりに定電圧回路３０が使用さ
れ、これに伴って呼吸検出回路３１は電流変化を検出す
るようになっている点である。

なお、再実施例において、制御回路２５は何らかの理由
で呼吸が検出できない場合には発振器２６の周波数が予
め設定された値になるように制御を行なうようにし安全
を図っている。

第６図は第４図における動作を示す波形図であって呼吸
波形が第６図（ａ）に示すようなものであったとすれば
、定電流回路２２の出力は第６図（ｂ）に示すものとな
り、これをピークホールドおよびフィルタリングするこ
とにより第６図（Ｃ）に示す呼吸波形に対応する出力が
呼吸検出回路２４により得られる。その出力にもとづき
、制御回路２５からベーシングパルス（第６図（ｄ））
が出力され、心臓の刺激がこれにより行なわれる。

第６図においては左半分と右半分では呼吸速度が異なっ
ており、呼吸速度（第６図（ａ））が速くなるとベーシ
ングパルス（第６図（ｄ））も速くなることがわかる。

このようなベースメーカでは増幅率を非常に大きくとる
ことができるため、従来埋込み手術後生体が慣れるまで
２日程度を要し、２日後に成否を確認していたのに対し
、不感電極−刺激電極間の抵抗が仕様通りの抵抗値範囲
にあることが確認できれば使用可能であることがわかる
ので、術中モニタが可能となり患者のリスクを著しく軽
減させることができる。

第７図は本発明にかかる微小信号増幅器を他の用途に用
いた例を示すブロック図であり、微小信号増幅器の部分
は第１図と同じ符号を付してその説明を省略する。

この実施例では生体等の測定対象物４４に対し、光、電
磁波、電流、熱、超音波、磁気、圧力、化学物質を含む
流体等の各種の刺激を与える出力トランスジューサ４３
と生体組織における吸収、拡散、反射、透過等の反応に
対応した物理量を検出するセンサトランスジューサ４５
を備えており、出力トランスジューサ２３は発振回路４
１から出力されたパルスから出力トランスジューサ駆動
回路４２で得られるトランスジューサ駆動信号により駆
動される。このようにしてセンサトランスジューサ４５
から得られた信号は非常に微弱であることが多く、本発
明の微小信号増幅器が非常に有効である。なお、本実施
例においては出力トランジスタ駆動回路における発振と
微小信号増幅器内の発振は同期していないので非同期型
と称される。

第８図は第７図における変形例であって、発振回路４１
で発生したパルスを出力トランスジューサ駆動回路４２
に供給し、これにより出力トランスジューサ４３を駆動
して生体等の測定対象物４４に刺激を与え、その反応を
センサトランスジューサ４５によって取出し、バッファ
増幅器により増幅し、ピークホールド回路１４によりピ
ークホールドした後帯域フィルタ１５、出力増幅器１６
を経て増幅された信号が取出される点は第７図と同様で
ある。しかし、ピークホールド回路１４のサンプルパル
スは出力トランスジューサを駆動するための発振回路４
１から出力されたものを用いている。従ってこの実施例
ではサンプルホールドパルスを形成するパルス整形器を
有していない。このためこの実施例における微小信号増
幅器は同期型であり、ホールドパルスを検出信号から取
出していないためセンサトランスジューサのＳ／Ｎ比が
良好でない場合にも安定した動作が可能となる。

第９図は第７図の構成における動作を示す波形図であっ
て出力トランスジューサ駆動回路４２のパルス出力（第
９図（ａ））を生体４４に対して加えることにより生体
反応（第９図（ｂ））のサンプリング出力（第９図（Ｃ
））を得、これをピークホールド回路１４でピークホー
ルドしく第９図（ｄ））　、さらに濾波器を通して出力
を得ている（第９図（ｅ））。

第１０図は本発明の微小信号増幅装置を複数個用いＳ／
Ｎ比の改善を図った例を示すブロック図である。

同図によれば互いにサンプリング位置の異なる複数の微
小信号増幅装置５１、〜５１ｎにより同一信号を入力し
て出力信号を取出し、各出力を合計して出力増幅器５２
により出力するようにしている。例えば１００Ｈｚの信
号を扱う場合サンプリングパルスは２００１１ｚ以上必
要であり、パルス間隔は５ｍＳ以下となるが、パルス幅
を１０μｓｅｃとして５００程度の異なったパルス位置
を得ることができる。このようにすることにより、ノイ
ズが不規則な位置に現われることから、パルス位置の異
なったサンプリングパルスを使用することによりノイズ
が平均化され、全体としてＳ／Ｎ比を向上させることが
できる。

第１１図は本発明による微小信号増幅器を用いた自動利
得制御回路を実現した実施例を示すブロック図である。

同図によれば、外部信号を受付けて変調を行なうサンプ
リング回路６１により出力されたサンプリングパルスを
ピークホールド回路６２でピークホールドした後帯域濾
波器６３で直流分および高周波針を除去して増幅波形を
得た後出力増幅器６４によって出力される。一方、出力
増幅器６４の出力はレベル検出器６５によりレベル検出
され所定の基準レベルとの比較結果がパルス幅制御回路
６６に与えられる。パルス幅制御回路６６は例えばリン
グカウンタあるいは可逆カウンタを含んでおり、発振器
６７より出力されたパルスの幅をレベル検出器から出力
された出力レベルと基準レベルとの比較結果にもとづい
て可変する。したがってピークホールド時のサンプルパ
ルス幅すなわちデユーティ比が変えられ、出力レベルが
一定になるようにされる。

第１２図は第１１図における動作を説明する波形図であ
って、第１２図（ａ）に示すように入力信号のレベルが
途中から急激に小さくなったとする。レベル検出器６５
がレベルの低下を検出するとパルス幅制御回路６６がピ
ークホールド回路６２に対するホールドパルス（第１２
図（ｂ））の幅を変える。したがってピークホールド回
路６２によりピークホールドされた信号は第１２図（Ｃ
）のようになり、最終的に出力される信号は第１２図（
ａ）に示すようにレベルの低い部分の利得が増加した信
号となる。

第１３図は第１１図と同様の機能を達成する自動利得制
御装置を示すブロック図であって、第１１図と異なる点
はワンショット型の電圧制御発振器６８を用いており、
サンプリング回路６１に対する発振器７０とピークホー
ルド回路に対する発振器６９とを分離している点である
。

本発明による自動利得制御回路ではホールドパルスの幅
を１０００倍程度の範囲で可変することは容易であるの
で、比較的簡単な構成で大きな利得制御範囲が得られ、
かつ大きな平均利得を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上実施例にもとづいて詳細に説明したように、本発明
にかか微小信号増幅装置によれば、ピークホールド回路
と濾波器の組合わせにより、これだけで約千倍の利得を
得ることができるため、小型、軽量で微小信号の増幅が
可能となる。

また、それぞれサンプリング位置を変えた複数の微小信
号増幅装置の出力を合計するようにした微小信号増幅装
置ではノイズを平均化することによりＳ／Ｎ比を向上さ
せることができる。

さらに、本発明にかかる自動利得制御装置によれば、最
終出力レベルを検出してピークホールド回路におけるサ
ンプリングパルス幅を変化させるようにしているので、
小型、軽量で高利得状態での自動利得制御が可能となる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる微小信号増幅装置の構成を示す
ブロック図、第２図は第１図の場合と類似した装置の詳
細な構成を示す回路図、第３図は本発明の動作を示す波
形図、第４図および第５図は第１図に示した微小信号増
幅器をペースメーカに応用した実施例を示すブロック図
、第６図は第４図における動作を示す波形図、第７図お
よび第８図は被測定物に対して加えられた刺激に対する
微小反応信号を測定するための本発明にかかる微小信号
増幅系を示すブロック図、第９図は第７図における動作
を示す波形図、第１０図はＳ／Ｎ比を向上させた本発明
にかかる微小信号増幅装置を示すブロック図、第１１図
および第１２図は本発明にかかる自動利得制御装置の構
成を示すブロック図、第１３図は第１１図における動作
を示す波形図である。 １１・・・バッファ増幅器、１２・・・信号増幅器、１
３・・・パルス整形器、１４．６２・・・ピークホール
ド回路、１５．６３・・・帯域濾波器、１６，６４・・
・出力増幅器、２４・・・呼吸検出回路、２５・・・制
御回路、４３・・・出力トランスジューサ、４５・・・
センサトランスジューサ、６５・・・レベル検出器、６
６・・・パルス幅制御回路。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 図筒の浄書（内容に変更なし） 第１図 第３図 第６図 第９図 （α） 第１２図 第１３図 手続補正四（方式） ％式％ １゜事件の表示 昭和６１年特許願　第２０６５５８号 ２、発明の名称 微小信＠珊幅装δおよびこれを 用いた自動利得制御１１装置 ３、補正をする者 （ばか１名〉 ４、代　理　人　（郵便番号１００） 昭和６１年１１月５日 （発送日　昭和６１年１１月２５日） （２）　　明ｍ書および図面の浄書（内容に変更なし）
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、サンプリングされた入力信号のピーク値をホールド
   するピークホールド回路と、 このピークホールド回路の出力信号のうち少なくとも直
   流成分を除去する濾波器と、 この濾波器の出力信号を増幅して出力する出力増幅器と
   を備えた微小信号増幅装置。 ２、ピークホールド回路のホールドパルスが入力信号の
   パルス整形により得られるものである特許請求の範囲第
   １項記載の微小信号増幅装置。 ３、入力信号が出力トランスジューサから発せられた刺
   激に対する測定対象物の反応を検出する検出トランスジ
   ューサの信号である特許請求の範囲第１項記載の微小信
   号増幅装置。 ４、ピークホールド回路のホールドパルスが出力トラン
   スジューサの駆動パルスである特許請求の範囲第３項記
   載の微小信号増幅装置。 ５、濾波器が帯域濾波器である特許請求の範囲第１項な
   いし第４項のいずれに記載の微小信号増幅装置。 ６、サンプリングされた入力信号のピーク値をホールド
   するピークホールド回路と、このピークホールド回路の
   出力信号のうち少なくとも直流成分を除去する濾波器と
   、この濾波器の出力信号を増幅して出力する出力増幅器
   とを備え、サンプリング時点が互いに異なるように設定
   された複数の増幅装置と、 この複数の増幅装置の出力信号を加算する加算回路とを
   備えた微小信号増幅装置。 ７、ピークホールド回路のホールドパルスが入力信号の
   パルス整形により得られるものである特許請求の範囲第
   ６項記載の微小信号増幅装置。 ８、入力信号が出力トランスジューサから発せられた刺
   激に対する測定対象物の反応を検出する検出トランスジ
   ューサの信号である特許請求の範囲第６項記載の微小信
   号増幅装置。 ９、ピークホールド回路のホールドパルスが出力トラン
   スジューサの駆動パルスである特許請求の範囲第８項記
   載の微小信号増幅装置。 １０、濾波器が帯域濾波器である特許請求の範囲第６項
   ないし第９項のいずれかに記載の微小信号増幅装置。 １１、入力信号をサンプリングするサンプリング回路と
   このサンプリング回路によりサンプリングされた入力信
   号のピーク値をホールドするピークホールド回路と、 このピークホールド回路の出力信号のうち少なくとも直
   流成分を除去する濾波器と、 この濾波器の出力信号を増幅して出力する出力増幅器と
   、 この出力増幅器の出力のレベルを検出するレベル検出器
   と、 このレベル検出器の出力を所定レベルと比較し、その比
   較結果にもとづいて前記ピークホールド回路のホールド
   パルス幅を変化させる制御回路とを備えた自動利得制御
   回路。 １２、濾波器が帯域濾波器である特許請求の範囲第１１
   項記載の自動利得制御回路。