SE451523B - Anordning for digitalisering av en analog signal, samt anvendning av nemnda anordning vid en apparat for elektrocardiografi - Google Patents

Description

451 523 ren 5 är anordnad att stegas för varje klockpuls i en riktning som är bestämd av det logiska tillståndet för utsignalen från deltamodulatorn 3. Den digita- liserade ECG-signalen på utgången 9 kan tillföras en beräkningsenhet 13, som exempelvis kan utgöras av en mikroprocessor för fortsatt behandling.

Fig 2 visar mera detaljerat ett utföringsexempel på deltamodulatorn 3.

Modulatorn 3 innefattar en första ingång 15 för mottagning av den analoga ECG-signalen från ingången 1 och en andra ingång 17 för mottagning av en re- ferensspänning. Den första ingången 15 är ansluten till en första ingång 20 hos en jämförare 21 via en första förstärkare 19 med en förstärkningsfaktor lika med exempelvis 10. Den andra ingången 17 är ansluten via en andra förstärkare 23 till en elektrod hos en kondensator 25 vars andra elektrod är ansluten till den andra ingången 26 hos jämföraren 21.

Jämförarens 21 utgång är ansluten till D-ingången hos en bistabil anord- ning 27 vars C-ingång 29 är ansluten till klockgeneratorn 11 i fig 1. Utgången Q hos den bistabila anordningen 27 styr en elektronisk omkopplare 31 och är även ansluten till utgången 33 hos deltamodulatorn. Den elektroniska omkoppla- ren 31 innefattare två kopplingselement 35 och 37, varvid det första av dessa kan ansluta den elektrod hos kondensatorn 25 som är ansluten till jämföraren 21 till en positiv strömkälla 39 eller till en negativ strömkälla 41 efter önske- mål, medan dess andra kopplingselement samtidigt ansluter kondensatorns andra elektrod till en negativ strömkälla 43 respektive en positiv strömkälla 45.

Under intervallen mellan klockpulserna befinner sig emellertid båda kopplings- elementen 35 och 37 i ett neutralt, brutet läge (ej visat).

Den beskrivna kretsen fungerar enligt följande. Då ögonblicksvärdena av den förstärkta ECG-signalen på den första ingången 20 hos jämföraren 21 är större än spänningen på den andra ingången 26 hos jämföraren så avger utgången hos jämföraren en logisk 1 som även tillföres D-ingången hos den bistabila an- ordningen 27. Då nästa klockpuls från klockgeneratorn 11 uppträder på C-ingång- en hos den bistabila anordningen 27 medför detta att dess Q-utgång också avger en logisk 1, varigenom omkopplaren 31 inställes till det visade tillståndet.

Under en kort tidsperiod t, som är bestämd av klockgeneratorn 11, är följaktli- gen kondensatorn 25 ansluten till strömkällan 39, som tillför strömmen IH till kondensatorn, varigenom denna uppladdas med laddningen IHt och sålunda (I: spänningen på jämförarens 21 andra ingång 26 närmar sig spänningen på den första ingången 20. Samtidigt är kondensatorns 25 andra elektrod ansluten till den negativa strömkällan 43, vilken urladdar en laddningsmängd I'Ht för att ' förhindra att laddningen IHt från strömkällan 39 skall störa referensspän- _3 451 523 ningen.

Då spänningen på ingången 20 hos jämföraren 21 är lägre än spänningen på den andra ingången 26 uppträder en logisk 0 på D-ingången hos den bistabila anordningen 27, vilken 0 inställer omkopplaren 31 till det andra tillståndet via utgången Q då nästa klockpuls från klockgeneratorn uppträder, varigenom kondensatorn 25 anslutes till den negativa strömkällan 41 under en tidsperiod t och urladdas med laddningen ILt. Som kompensation härför tillför den positiva strömkällan 45 en laddning I'Lt till kondensatorns andra elektrod.

Av ovanstående framgår att spänningarna på de två ingångarna 20 och 26 hos jämföraren 21 kommer att vara lika efter ett antal klockpulsperioder från klockgeneratorn 11. Varje efterföljande amplitudökning i ECG-signalen innebär att ett antal logiska ettor tillföres utgången 33 och varje amplitudminskning medför att ett antal logiska nollor tillföres. Sålunda kan ECG-signalens värde rekonstrueras i varje ögonblick på grundval av följden av logiska ettor och nollor på utgången.

I praktiken har det emellertid visat sig att ovanstående resonemang gäller endast approximativt eftersom å ena sidan de två strömkällorna 39 och 41 ej är exakt likadana och eftersom å andra sidan jämförarens 21 ingång 26 har ändlig ingångsresistans, vilket innebär att en liten ström IB läcker från kondensa- torn 25. Då kondensatorn 25 uppladdats under några perioder från klockpulsgene- ratorn 11 och därefter återigen urladdas under samma antal perioder så kommer följaktligen spänningen på jämförarens 21 andra ingång 26 ej att ha återtagit sitt ursprungliga värde. Omvänt gäller att en signal på den första ingången 20, som först tilltager från ett givet värde och därefter återigen avtager till sitt ursprungliga värde, sålunda kommer att medföra alstring av olika antal nollor och ettor på utgången 33. I den digitaliserade signalen ger detta sig till känna såsom en ständigt tilltagande eller avtagande spänning överlagrad på signalen.

Detta kommer att illustreras i det följande genom en beräkningsbeskriv- ning. Antag att läckströmmen till jämföraren enligt ovan är lika med IB och att strömkällorna 39 och 41 ej är exakt likadana, vilket innebär att IH=I+¿I (1) 1L=1-J1 (2) med omkopplaren 31 i det visade läget blir strömmen till kondensatorn 25 lika med: 1u=1H-1B=1+61-1B=1-A1 (a) 451 523 4 varvid gäller IB-J1=A1 (4) I omkopplarens 31 andra läge blir strömen från kondensatorn 25 lika med Id=IL+IB=I-<(I+IB=I+AI (s) Av uttrycken (3) och (S) framgår att uppladdningen och urladdningen kan beskrivas med de ej likadana strömkällorna I” och Id som är ett belopp AI mindre respektive större än en ideal strömkälla I.

Om antalet perioder nu under vilka IU är inkopplad och antalet perio- der nd under vilka I¿ är inkopplad (varvid nu anger antalet ettor och nd anger antalet nollor på utgången 33 och n = nu + nd) räknas varje gång under ett bestämt antal (n) klockperioder så erhålles för spänningsökningen AV 1 kondensatorn 25 följande uttryck zßv = nu . Iu - nd . Id = (nu-nd) . I + (nu+nd) . 131 (6) Eftersom nu + nd = n är konstant så gäller V=(nu-nd).I+C (7) där C = n . lll (8) Om signalen på den första ingången 20 till jämföraren 21 ökar med ett belopp¿§S under ett visst tidsintervall med en längd lika med n klockperioder så blir spänningsökningen ZS V över kondensatorn 25 lika med ISS, varigenom AKS = (nu - nd) . I + C (9) härav följer att (nu - n¿) = ( ZÄS - C)/I _ (10) Om medelvärdet av signalen på ingången 15 är konstant så måste medelvärdet av 13 S över en längre tidsperiod vara lika med 0. Emellertid följer av (10) att värdet nu-nd ständigt tilltager eller avtager med avseende på tiden. Detta innebär att pulsserien på utgången 33 representerar en signal som är sammansatt av signalen på ingången 15 och en ständigt tilltagande eller avtagande signal.

Detta innebär att värdet av utsignalen från fram-backräknaren 5 (fig 1) genom- snittligt kommer att tilltaga kontinuerligt, Högpassfiltret 7 tjänar till att reducera detta medelvärde till ett konstant belopp, varigenom man på utgången 9 erhåller en digital signal som utgör en exakt representation av den analoga signalen som tillföras ingången 1.

Fig 3 visar ett utföringsexempel på högpassfiltret 7. Filtret innefattar en ingång 47 som mottager signalen S(t) från fram-backräknaren 5. Denna ingång är ansluten tillen positiv ingång hos en första adderare 49, vars utgång är ansluten dels till utgången 9 hos anordningen, dels till en dämpare 51 som ut- för multiplikation med en faktoreß <<1. Dämparens utgång är ansluten till m, 5 451 523 en första positiv ingång hos en andra adderare 53 vars utgång är ansluten till ett fördröjningselement 55 med fördröjningen.A T. Fördröjningselementets utgång är ansluten dels till en negativ ingång hos den första adderaren 49, dels till en andra positiv ingång hos den andra adderaren 53.

Den beskrivna kretsen fungera-r enligt följande. Vid en tidpunkt T + ÅT uppträder en digital signal S (T + ZXT) på ingången 47. Denna signal reduceras i den första adderaren med en signal šlïl som anger det tilltagande medelvärdet vid tidpunkten T av den varierande signalen S (t). I dämparen 51 multipliceras signalen S (T + AT) - š (T) med faktorn OC och den resulterande signalen OC {ä(T + AQT) - š'(t)} ökas i den andra adderaren 53 med signalen li (T).

Signalen š (T) + C( S (T + Å T) - § (T)} som erhålles på detta sätt fördröjes tiden 13 T i fördröjningselementet 55. Den signal som lämnar fördröjningsele- mentet vid tidpunkten T + ll T utgöres sålunda av signalen som ankom till för- dröjningselementet vid tidpunkten T och är lika med š n -An +<=c sm - š (i -ATÛ = u -oo š n. -An +° =š m Detta har sin grund i att det tilltagande medelvärdet vid tidpunkten T utgör en kombination av det "gamla" tilltagande medelvärdet vid tidpunkten T -15 T och ögonblicksvärdet av signalen S(t) vid tidpunkten T, vilket gör det nödvändigt att multiplicera båda komponenterna med en vägningsfaktor, varvid summan av vägningsfaktorerna är lika med 1.

Det tilltagande medelvärdet av en signal med medelvärdet noll är väsent- ligen lika med noll, medan det tilltagande medelvärdet av en signal som linjärt tilltager med avseende på tiden är lika med signalens ögonblicksvärde minskat med ett konstant belopp. Om sålunda signalen S(t) på ingången 47 är sammansatt av en kombination av en variabel signal med medelvärdet noll och en linjärt tilltagande signal, så blir signalen S (tl - S (t -zi T) på utgången 9 lika med den variabla signalen med konstant medelvärde.

I det beskrivna utföringsexemplet är högpassfiltret konstruerat som en kombination av två adderare, en dämpare och ett fördröjningselement. Det inses att de aritmetiska operationer som skall utföras av filtret påsignalen alter- nativt kan utföras genom en på lämpligt sätt programmerad beräkningsenhet, exempelvis mikroprocessorn 13.

Claims (3)

451 523 ä Patentkrav.

1. l. Anordning för digitalisering av en analog signal vars medelvärde är kon- stant, innefattande en deltamodulator (3) som är anordnad att sampla signalen under successiva tidsintervall ( ¿;T) vilka vart och ett har en längd motsva- rande n klockpulser från en klockpulsgenerator (ll), och att tillföra m, där nias n, pulser under varje sådant tidslntervall (L'T), varvid m är beroende av skillnaden mellan signalvärdena vid början (T) och slutet (T + ¿\T) av in- tervallet, k ä n n e t e c k n a d av att deltamodulatorns (3) utgång är an- sluten till en korrektionskrets (7) innefattande ett digitalthögmssfilter.

2. Anordning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att kor- rektionskretsen (7) är utförd att reducera den tillförda signalen med signa- lens tilltagande medelvärde.

3. Anordning enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att deltamodulatorns utgång (3) är ansluten till nämnda korrektionskrets (7) via en fram-backräknare (5), vilken även är anordnad att mottaga klockpulserna och att räkna nämnda pulser i den ena eller den andra riktningen allteftersom en av nämnda utgângspulser från deltamodulatorn (3) uppträder eller ej uppträder sam- tidigt under en klockpuls, varvid den löpande räkneställningen i räknaren (5) tillföres som ett digitalt ingångsvärde S (T + 2tT) till det digitala högpass- filtret (7) vid slutet av tidsintervallet (131). Ä. Anordning enligt patentkravet 3, k ä n n e t e c k n a d av att högpass- filtret innefattar första överlagringsmedel (ÅS) där nämnda digitala ingångs- värde S (T + IST) subtraheras med ett tilltagande medelvärde š (T) för bildan- de av ett differensvärde YS (T + ¿mT) - š (T)š , varvid medel (SÜ för multiplï- kation är anordnade att mdltiplicera differensvärdet med en konstant vägnings- faktorëfl , där 0«:çÅ addera det viktade differensvärdet0( S (T +¿$T) - š (T) med nämnda tillta- gande medelvärde š (T) för att bilda ett uppdaterat tilltagande medelvärde E Ü-+AT)=(1-Ä)š(U +%S Ü-+&Th æhmwd.ßD ßrlwrhgavdfl uppdaterade, tilltagande medelvärdet fram till slutet av nästa sådant intervall (¿§T), varvid differensvärdet {S (T + (ET) - É (T)}-utgör det digitala högpass- filtrets digitala utsignalvärde och utgör en digital representation av den samp- lade analoga signalen. n» 7 I . 451 523 S. Användning av en anordning enligt något av föregående patentkrav vid en apparat för eiektrocardiografí för digitalisering av en ECG-signai från en pa- tient.