DE2345551A1

DE2345551A1 - Aktivitaets- und atmungs-monitor

Info

Publication number: DE2345551A1
Application number: DE19732345551
Authority: DE
Inventors: Jun Edward Victor Hardway; William Henry Holtman
Original assignee: SPEARHEAD Inc
Current assignee: SPEARHEAD Inc
Priority date: 1972-09-11
Filing date: 1973-09-10
Publication date: 1974-04-04
Also published as: NL7312419A; CA1007302A; IT996155B; GB1439383A; JPS4965092A; FR2198722A1; US3926177A

Description

ι lcht · Dr. Schmidt

ttansmann · Hermann 23^5551

"10. Sep. 1973

SPEARHEAD, INC.
Houston, Texas 77055
JAOIA Cedar Post Lane
V. Sto A.

Aktivitäts- und Atmungs-Monitor

Die Erfindung betrifft einen kontaktlosen Monitor oder eine Alarmvorrichtung, die auf einen Zustand eines menschlichen oder tierischen Körpers anspricht. Ein Gesichtspunkt der Erfindung betrifft einen Monitor oder eine Alarmvorrichtung, die auf eine Aktivität von Menschen oder Tieren anspricht, und ein anderer Gesichtspunkt betrifft einen Monitor oder eine Alarmvorrichtung zur Verwendung in Krankenhäusern bzw. zu Hause, die auf die Atmung oder Apnoe anspricht, wobei ein spezieller Anwendungsfall darin besteht, die Apnoe bei Kleinkindern zu erfassen.

Atmungsmonitoren werden in Krankenhäusern verwendet, um einer Krankenschwester ein Signal zu geben, wenn ein Patient eine unnormale Atmungsfrequenz entwickelt oder zu atmen aufgehört hat. Es ist beispielsweise üblich, die Atmung von frühgeborenen Kindern in Krankenhäusern zu überwachen, weil eine häufige Todesursache in der Apnoe (Unterbrechung der freiwilligen Atmung) zu sehen ist, die gewöhnlich durch kutane Stimulation korrigiert werden kann. Ferner haben neuerliche Untersuchungen gezeigt, daß in den Vereinigten Staaten järhlich 10 bis 25.000 Kinder während der ersten Monate aus unerklärlichen Gründen in der Wiege sterben, die selbst Ärzten normal und gesund zu sein scheinen. Die meisten dieser Todesfälle treten zu Hause während .der Schlafperiode auf und sind unbeobachtet. Diese "Krankheit"

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wird oft als Symptom des plötzlichen Todesfalls bei Kindern bezeichnet. Neuerliche Untersuchungen haben ferner gezeigt, daß die Überwachung von Kleinkindern und insbesondere von Säuglingen, für die während der kritischen ersten sechs Monate die Gefahr von Apnoe und unnormaler Aktivität (Strangulieren) besteht, Leben retten kann. Wenigstens kann jedoch eine Information über die Todesursache gegeben werden. Dennoch gibt es bisher keine geeignete Vorrichtung, um die Atmungs funkt ion en oder Aktivitäten eines Säuglings oder Kleinkindes zu Hause zu überw wachen. Die gewöhnlich in Krankenhäusern verwendeten Vorrichtungen wären für die Verwendung zu Hause unpraktisch und gefährlich.

Kontaktlose Monitoren werden gegenwärtig bei der wissenschaftlichen Forschung an Tieren verwendet, um die Auswirkungen verschiedener Drogen usw. auf die tierische Aktivität zu studieren, die im allgemeinen stärker in Erscheinung treten als die Atmung. Wenn nur die groben Aktivitäten eines menschlichen oder tierischen Lebewesens überwacht werden sollen, was im Gegensatz zu der überwachung von Atmungsfunktionen steht, gibt es bereits verschiedene Vorrichtungen, bei denen Radiofrequenz- oder photoelektrische Signale verwendet werden, um Aktivitäten aufzuzeichnen, die recht große Bewegungen des Tieres darstellen. Diese Vorrichtungen sind jedoch in der Regel nicht empfindlich genug, um auch selektiv auf sehr kleine Bewegungen, beispielsweise Atmungsbewegungen oder die Unterbrechung der Atmung, anzusprechen, insbesondere, wenn der überwachte Patient ein Säug-'" ling ist.

Zur Erzielung der nötigen Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit ' » sind die meisten allgemein verwendeten Apnoemonitoren (bzw.

Atmungsmonitoren) Impedanz-Plethysmographen, bei denen es erforderlich ist, wenigstens zwei auf der Brust des Patienten ■ installierte Elektroden durch Drähte anzuschließen. Diese Vorrichtungen sind mühsam in der Handhabung, und es ist ein schwieriges Problem, daß die Elektroden sich lockern. Diese Vorrichtungen sind offenbar auch für die Verwendung zu Hause

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als Monitor unerwüns ent, da Draht zul ext ungen an dem Säugling befestigt werden müssen, und da die Vorrichtung wegen der Gefahr der Strangulierung für die meisten Mutter nicht akzeptabel wäre.

Verschiedene Versuche wurden gemacht, um kontaktlose Monitoren zur Überwachung der Atmung und der Apnoe, insbesondere bei Säuglingen, zu schaffen. Eine dieser Vorrichtungen besteht aus einer :ait luftgefüllten Segmenten versehenen Matratze, in der sehr kleine Luftvolumina sich von einer aufgeblasenen Kammer in der Matratze zu einer anderen Kammer durch eine remeinsame Verteilerkammer in Abhängigkeit von der Bewegung der Matratze, die durch die Atmung verursacht wird, bewegt. Die Verteilerkammer enthält einen elektrischen Luftströmungsfühler. Diese Vorrichtung ist jedoch kompliziert, die Luft kann durch eine Sicherheitsnadel abgelassen werden, und die Vorrichtung ist nicht für die Verwendung zu Hause geeignet. Ferner besteht die Gefahr von Falschaiarmen, da das Ansprechen der Vorrichtung von der Stelle abhängt, an der das Kleinkind auf der Matratze liegt. Ein anderer kontaktloser Monitor, der gegenwärtig zur Verfugung steht, hat einen kleinen, dünnen Wandler, der erheblich kleiner als die Matratze eines Inkubators ist. Der Wandler wird unter die Matratze gelegt, so daß er auf die durch die Atmung des Säuglings verursachte Bewegung anspricht. Dieser Wandler muß jedoch direkt unter dem Säugling liegen, und wenn der Säugling sich von dem Wandler weg bewegt, ist es möglich, daß der Signalverlust so groß wird, daß die Vorrichtung den Zustand einer Apnoe anzeigt. Um dieses Problem zu verringern, wäre es erforderlich, die Empfindlichkeit des Wandlers auf einen solchen Wert zu vergrößern, daß die Gefahr besteht, daß eine Apnoe wegen einer geringen Bewegung des Inkubators nicht erfaßt wird, wobei dieser Fehler dem Kind das Leben kosten kann.

Bei der Überwachung der Atmung bzw. einer Unterbrechung der Atmung spielen sehr kleine, kurzfristige Bewegungen eine Rolle, während die normale Aktivität, beispielsweise wenn der Säugling sein Gewicht verlagert, eine Bewegung von viel größerer Größenordnung liefert. Eine andauernde Aktivität kann ein Nach-Luft-

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Ringen anzeigen, weil der Säugling zu atmen nicht in der Lage ist. Ein schwieriges Problem bei der Verwirklichung eines Apnoe- oder Atmungsmonitors besteht darin, die Möglichkeit von Falschalarmen zu reduzieren und größere Oder langzeitigere Bewegungen in einer Weise zu kompensieren, so daß sichergestellt wird, daß die kleinen Bewegungen zuverlässig erfaßt werden, und daß das Aufhören der kleinen Bewegungen gemessen wird, so daß ein Apnoe-Alarm nur beim tatsächlichen Auftreten einer Apnoe gegeben wird. Wenn diese Bedingungen nicht erfüllt werden, wird das Vertrauen der Krankenschwester oder der Mutter, die für das Kind sorgt, in die Zuverlässigkeit der Alarmvorrichtung zerstört, was sehr gefährlich sein kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kontaktlosen Aktivitäts- und Atmungsmonitor zu schaffen, der zwischen kleinen Bewegungen des Körpers eines überwachten Subjektes aufgrund der Atmung und auch dem Zustand einer Apnoe und den größeren Bewegungen des Körpers mit einer größeren Zuverlässigkeit und weniger Palschalarmen als bei bekannten Vorrichtungen unterscheidet. Der Monitor soll einen Alarm geben, wenn eine Apnoe langer als eine vorbestimmte Zeitdauer auftritt, oder wenn die Atmungsrate ein vorbestimmtes Niveau über— oder unterschreitet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die auf die Bewegung eines menschlichen oder tierischen Körpers anspricht, um eine Anzeige des Zustandes eines Körpers zu geben, ist gekennzeichnet durch eine nachgiebige, kapazitive Unterlage, die auf die Bewegung solch eines Körpers, der auf der Unterlage liegt, mit einer Kapazitätsänderung anspricht, und durch eine Kapazitätsmeßvor— richtung, die an die Unterlage anschließbar ist und auf die Kapazitätsänderung anspricht, um ein Ausgangssignal zu liefern, das die Anzeige darstellt, wobei die Me3vorrichtung einen elektronischen Hochpaßfilter aufweist, um Kapazitätsänderungen in der Unterlage abzublocken, die im Vergleich zu der Frequenz der Kapazitätsänderungen aufgrund der angezeigten Zustände verhältnismäßig langzeitig sind.

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Durch die Erfindung wird daher ein Monitor geschaffen, in dem eine kapazitive, nicht mit Druckmittel gefüllte Inkubator- oder Wiegenmatratze oder —Unterlage verwendet wird, die im wesentlichen die gleiche Ansprechempfindlichkeit für eine Bewegung auf der gesamten Fläche hat, auf der ein Kleinkind liegen kann. Der erfindungsgemäße Monitor kann dazu verwendet werden, einen Alarm zu geben, wenn die Amplitude der Aktivität des überwachten Körpers andauernd eines oder mehrere Niveaus übersteigt, wie es der Fall wäre, wenn ein Kleinkind nach Luft ringt. Der Monitor kann vorteilhaft auch als Aktivitätsmonitor verwendet werden, der die Aktivität eines Subjektes, insbesondere kleiner Tiere oder von Säuglingen, die eines oder mehrere vorgegebene Niveaus übersteigt, als Ereignisse pro Zeiteinheit aufzeichnet und zählt. Schließlich besteht noch ein Vorteil des erfindungsgemäßen Monitors darin, daß er auch für den Hausgebrauch zur Überwachung von Kleinkindern geeignet ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Monitor ist daher eine kapazitive Unterlage oder Matratze vorgesehen, die im wesentlichen eine gleichbleibende Empfindlichkeit auf einer Meßfläche haben kann, auf der ein Säugling oder Tier liegen kann, während sein Zustand gemessen wird. Eine elektronische Kapazitäts-MeSvorrichtung ist mit der kapazitiven Unterlage verbunden und spricht auf jede Kapazitätsänderung an, um ein elektrisches Signal zu liefern, das zur Messung der Aktivität oder Apnoe oder zur Erzeugung eines Alarms verwendet werden kann, wenn ein Signal während' einer vorgewählten Zeitdauer, d. h. während 10 - 20 Sekunden, nicht auftritt, oder wenn ein anderer unnormaler Zustand auftritt. Es sind Schaltkreise vorgesehen, die es gestatten, daß die Vorrichtung automatisch auf langzeitige Kapazität sänderungen, beispielsweise eine Gewichtsverlagerung des Subjektes, anspricht und das Ausgangsniveau auf null zurückstellt, ohne die Empfindlichkeit der Vorrichtung erheblich zu beeinflussen. Die Schaltkreise wirken als Hochpaßfilter erster Ordnung oder Einpol-Hochpaßfilter (beispielsweise für die Atmungsfrequenz). Ein "chnell-Nullsehalter kann auch vorgesehen sein, um die Ansprechzeit dieser Schaltungen während großer

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Kapazitätsänderungen abzukürzen.

V/eitere Gesichtspunkte der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen in Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnungen. Es zeigen:

Pig. 1 eine perspektivische Darstellung der kapazitiven Unterlage gemäß der Erfindung, an die eine Alarmvorrichtung mit den elektronischen Me3schaltungen angeschlossen ist;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die kapazitive Unterlage von Fig. 1; Fig. 3 einen Hchnitt entlang der Linie 3 - 3 in Fig. 2;

Fig. 4 ein sehematisches Diagramm eines Ersatzschaltbildes der kapazitiven Unterlage von Fig. 1 mit einer Gleichstromquelle, die an die Unterlage und den Eingangsverstärker der elektronischen Meßschaltung angeschlossen ist;

Fig. 5 ein Blockdiagramm einer Gleichstrom-Meßschaltung, die an den Ausgang des Verstärkers in Fig. 4 angeschlossen sein kann;

Fig. 6 ein anderes Ersatzschaltbild für die Unterlage von Fig. 1, wobei ein Wechselstromantriebssignal an die Unterlage und den Eingangsverstärker der elektronischen Meßschaltung geliefert wird;

Fig. 7 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meß-Unterläge;

Fig. 8 einen Schnitt entlang der Linie 8-8 von Fig. 6;

Fig. 9 ein Ersatzschaltbild der Unterlage von Fig. 7 mit einem Wechselstrom-Antriebssignal, wobei ein Blockdiagramm der elektronischen Meßschaltung für die gezeigte Unter-

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lage dargestellt ist;

Fig. 10 ein Gesamt-Blockdiagramm eines Atmungsfrequenz-, Aktivi täts— und Apnoemonitors, der nach dem Prinzip der Erfin dung aufgebaut ist;

Fig. 11 ein schematisch.es Detaildiagramm eines Integrators und einer selbsttätigen Nullschaltung, die in dem Monitor von Fig. 10 verwendet werden können;

Fig. 12 eine schematische Detaildarstellung eines anderen Integrators und einer anderen selbsttätigen üTullschaltung, die mit dem Monitor von Fig. 10 verwendet werden kön- nen; und

Fig. 13 ein schematisch.es Detaildiagramm einer Ausführungsform eines Schnell-Nullschaltkreises, der bei dem Monitor von Fig. 10 verwendbar ist.

In Fig. 1 ist ein Kleinkind 10 gezeigt, das auf einer kapazitiven Unterlage 11 liegt, die eine Matratze oder eine matratzenartige Unterlage sein kann und durch ein abgeschirmtes Kabel 12 mit einer elektronischen Alarmvorrichtung 13 verbunden ist. Die Alarmvorrichtung 13, die die elektronische Meßschaltung nach der Erfindung enthält, kann eine Ziffernanzeigeeinrichtung 13 (oder eine analoge Ableseeinrichtung) der Atmungsrate und eine Sicht—Alarmeinrichtung 13c haben, um eine Apnoe oder eine über mäßige Aktivität anzuzeigen. Ein hörbarer Alarm (auf der Rückseite des Gehäuses und daher nicht gezeigt) gibt einen hörbaren Alarmton, wenn eine Apnoe während einer Zeit auftritt, die langer als ein voreingestelltes Zeitintervall ist.

Es ist zu beachten, daß die kapazitive Unterlage 11 entweder eine komplette Matratze sein kann, wenn beispielsweise eine permanente Einrichtung in einem Krankenhaus-Inkubator mit den Elektroden der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgerüstet ist. Es kann sich auch einfach um eine Unterlage handeln, in der die

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Elektroden enthalten sind, und die unter oder auf eine reguläre Matratze gelegt werden kann und im wesentlichen die gleiche Größe wie die Matratze hat. Die letztere Ausführung ist für den Hausgebrauch bestimmt. Wenn die Aktivität eines Tieres überwacht wird, kann die Unterlage auf dem Boden des Käfigs liegen. Im folgenden ist unter dem Begriff "Unterlage" oder kapazitive "Unterlage" sowohl eine einstückige, kapazitive Matratze, als auch die separate, kapazitive Unterlage zu verstehen.

Eine Ausführungsform solch einer Unterlage ist in den Fig. und 3 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform kann, wenn eine Gleichstromquelle zur Versorgung der Unterlage 11 verwendet wird, die gesamte Unterlage durch eine leitfähige Plastikhülle 14, die mit der Abschirmung des Kabels 12 verbunden ist, gegen Streuströme abgeschirmt sein. Eine äußere Isolierschicht (nicht gezeigt) zwischen der Oberseite der Hülle 14 und dem Kleinkind 10 sollte verwendet werden, wenn die Abschirmung mit einer Erde verbunden ist, die mit der Erde der Stromleitung gemeinsam ist.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, hat die Unterlage 11 zwei Elektroden 15 und 16 aus dünnem Metall oder feinem, leitfähigem Drahtnetz, die durch eine Schicht 17 aus nachgiebigem Polyurethanschaum oder einem elastomeren Schaum von der Oberseite der Unterlage 11 durch einen Schaum oder eine andere elastomere Schicht 18 und von der Unterseite der Unterlage 11 durch einen Schaum oder eine weitere elastomere Schicht 19 getrennt ist. Vorzugsweise ist, die Schicht 19 dichter als die Schichten 17 und 18, um eine maximale Empfindlichkeit zu erzielen. Wie gezeigt ist, überdecken die Elektroden 15 und 16 im wesentlichen die gesamte Fläche der Unterlage 11 und bilden Kondensa— torplatten.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, ist die Elektrode 16 mit einer Quelle 20 einer niedrigen Gleichspannung E, verbunden. Ein Ladungsverstärker 21 mit einer Rückkopplungskapazität C_f, einem Rückkopplungswiderstand R„ und einem Verstärkungsgrad von K

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! ist mit seinem Eingang durch das Kabel 12 mit der Elektrode verbunden. Der Eingang des Verstärkers 21 wirkt als Nullverbindung N. Der Ausgang des Verstärkers 21 hat eine Spannung E und

j spricht auf eine Kapazitätsänderung zwischen den Elektroden und 16 an, wenn die Atmung des Kleinkindes eine Bewegung von einer der Elektroden gegenüber der anderen verursacht.

Wenn ein schlafender, jedoch atmender Körper, beispielsweise das Kleinkind 10, auf der Unterlage 11 liegt, wobei das Körpergewicht an der richtigen Stelle liegt, ist die Kapazität zwischen den Elektroden 15 und 16 gegeben durch:

°_P - ^Gpo ^{+ G}pb ^{+ 0}R ^{sin Wt (1}>

wobei:

C = augenblickliche Kapazität

C= Kapazität ohne Subjekt auf der Unterlage

C , = statische Änderung von C , verursacht durch das Körpergewicht

C_R = Amplitude der Kapazitätsänderung, verursacht durch die ; Atmung (wenn diese als Sinusfunktion angenommen wird)

W = Winkelfrequenz des Ausgangssignales E , die im allgemeij nen gleich der Winkelfrequenz der Atmung bei einem schla- ! fenden Kleinkind ist

j W₁ = geringste Winkel-Atmungsfrequenz, die als 2,1 Radian pro Sekunde für eine Atmungsfrequenz von 20 Atembewegungen pro Minute oder 0,333 Atembewegungen pro Sekunde angenommen wird.

Durch Definition gilt:

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^Q = ^Edc ^Gp

und X₁, der Strom, der in den Nullverbindungspunkt N fließt, ist:

-_n dCp
¹I =§ = ^Edc CRT= ^WCR ^{COS Wt}

Der gleiche Strom muß von dem Ausgang zu der Nullverbindungs stelle fließen. Daher gilt:

E dE_ft

H ⁺ °f wr = ^Edc ^{w c}r ^{cos wt} ■

Die Lösung der Differentialgleichung erster Ordnung ist:

1 (WR_fC_f)
wobei

Unter der Annahme, daß R„ = °° , gilt:
^Eo = ^Edc Ü7 ^{sin Wt}

Es wurde experimentell unter Verwendung einer Unterlage mit einer 9,5 mm dicken Schaumschicht zwischen den Elektroden gefunden, daß eine minimale Größe von C_R 0,001 pP ist, während ■\ C__o in der Größenordnung von 100 pP sein kann. Es ist auch bekannt, daß die minimal annehmbare Atemfrequenz W₁ für Kleinkinder etwa bei 20 Atmungsbewegungen pro Minute oder 0,333 Atmungsbewegungen pro Sekunde liegt. Wenn ein Niederfrequenz—Grenz— punkt bei W₁ gewählt wird, so daß die Amplitude bei der klein- ·

_L stenJFre^uenz W^^.uf 30 ^ gedämpft wird, dann gilt; _j

''"I 0 9~8Ü /0 87 6 '

^Rf^Gf = W7 - = °'^{478 (1O)}

R_fC_fSO,5 (11)

Wenn C« zu 1000 pF gewählt wird, dann ergibt sich R^. =

500 Megohm. Die Amplitude von E_Q bei E_dc = 100 Volt ergibt sich

TW" -J= ^{x 1}°⁶= ⁷⁰

Dieses Signal ist genügend groß, so daß es leicht von Rauschsignalen unterschieden werden und zu einer nachfolgenden Verstärkung verwendet werden kann.

I"ig, 5 ist ein Blockdiagramm, das zeigt, wie der Ausgang E des Ladungsverstärkers 21 in einem allgemein verwendbaren Atmungsmonitor verwendet würde. Der Ausgang des Verstärkers 21, der
für sich selbst als Hochpaßfilter mit einer Grenzfrequenz von f dient, wird in einen Tiefpaßfilter 22 eingespeist, der in typischen Fällen eine Grenzfrequenz von 2 Hz hat. Der Filterausgang geht an einen durch einen Chopper stabilisierten Verstärker 23f der einen sehr hohen Verstärkungsgrad im Bereich
von 10 bis 10 haben kann. Der Ausgang des Verstärkers 23
geht an einen Hochniveau-Vergleicher 24 und an einen Tiefniveau-Vergleicher 25.

Der Vergleicher 24 tastet große Bewegungen, d. h. größere Bewegungen als die ab, die durch" die anzuzeigende Atmungsaktivität verursacht werden. Eine einzelne Aktivität oder länger andauernde Aktivitätssignale von dem Vergleicher 24 betätigen
eine Aktivitätsalarmvorrichtung 26, die eine sichtbare Anzeige oder ein hörbarer Alarm sein kann. Der Tiefniveau-Vergleicher 25 erfaßt die Atmung und erzeugt wenigstens einen Impuls

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f.ür jede Atmungsbewegung. Der Ausgang des Vergleichers 25 geht an einen Frequenzmeßkreis 27, der einen Strom oder eine Spannung im wesentlichen proportional zu der Frequenz erzeugt, welche ein Meßgerät oder eine Anzeigeeinrichtung 28 betätigt (d. h. eine analoge oder ziffernmäßige Anzeigeeinrichtung 13a in dem Monitor 13).

Der Ausgang des Vergleichers 25 ist auch mit einer Zeitverzögerungs-Rücksetzeinrichtung 29 verbunden, die eine voreinstellbare Zeitverzögerung von beispielsweise zwischen 10 und 20 Sekunden hat. Wenn kein Impuls von dem Vergleicher 25 innerhalb der voreingestellten Zeitverzögerungsperiode auftritt, betätigt die Rücksetzeinrichtung 29 einen Apnoe-Alarm 30, der wiederum ein hörbarer oder sichtbarer Alarm oder beides sein kann.

Gegebenenfalls kann die Frequenzschaltung 27 mit Hochfrequenzoder Niederfrequenz-Alarmeinrichtungen verbunden sein. Der Ausgang des Vergleichers 24 für die obere Frequenzgrenze kann aufgezeichnet oder gezählt werden, um die Frequenz der Aktivität über längere Zeitperioden zu bestimmen.

Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel der Fig. 2-5, t>ei dem eine Gleichspannung E, verwendet wird, ist, obwohl es in einigen Gesichtspunkten ähnlich wie das im folgenden beschriebene Wechselstrom-Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgeführt ist, weniger bevorzugt, weil die Außenfläche der kapazitiven Unterlage und die internen Schaltungen gegen eine elektrostatische Aufladung bei Netzfrequenz vollständig abgeschirmt werden müssen. Auch würde eine solche Vorrichtung auf elektrostatische Ladungen ansprechen, die durch die Bewegung des Körpers auf der Unterlage erzeugt werden, wenn nicht ein nicht-mikroph.onisch.es Kabel verwendet wird. Es wird jedoch angenommen, daß die vorangehende Beschreibung des Ausführungsbeispiels gemäß den Fig. 2-5 zum Verständnis der Prinzipien der Erfindung beiträgt, soweit sie den Aufbau der Unterlage 11 und die Verwendung der Ausgangssignale, die von der Unterlage abgeleitet werden, betreffen.

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In Fig. 6 ist ein Wechselstrom—Ausfülirungsbeispiel des erfindungsgemäßen Monitors gezeigt, bei dem die angetriebene Elektrode 16 der Unterlage 11 mit einer Seite der Sekundärwicklung eines Transformators 31 und die Empfangselektrode 15 mit einem Wechseistrom-Ladungsverstärker 32 verbunden ist. Der Transformator 31 liefert die Antriebsspannungen E, und -E,, die die gleiche Amplitude, jedoch eine entgegengesetzte Phase haben. Außenseitige, festgelegte Kapazitäten 33 und 34» von denen eine veränderbar ausgeführt sein kann, sind mit der anderen Seite der Sekundärwicklung des Transformators 31 verbunden, um die statische Gesamtkapazität zwischen den Elektroden 15 und 16 auszubalancieren. Der Ausgang E₁ des Verstärkers 32 kann zur weiteren Verarbeitung an eine Schaltung weitergegeben werden, wie sie in den Fig. 10-13 gezeigt ist und noch beschrieben wird. Durch Verwendung des Ladungsverstärkers, wie er in den Fig. 4 und 6 gezeigt ist, wird ein Ausgangsansehluß mit niedriger Impedanz für die Unterlage 11 geschaffen, der den Effekt von Streu- und Kabelkapazitäten auf ein Minimum herabsetzt.

In den Fig. 7 und 8 ist eine alternative und in einigen Anwendungsfällen der Erfindung bevorzugte Ausführungsform der Unterlage 11 gezeigt, welche auch mit einer Wechseistrom-Kapazitatsmeßschaltung verwendet werden kann, wie sie in den Fig. 9-13 gezeigt ist.

Die Unterlage 11 gemäß den Fig. 7 und 8 ist wiederum in drei Schichten aus geschäumtem Material unterteilt und weist eine obere Schicht 18, eine untere Schicht 19 und eine Zwischenschicht 17» sowie eine Empfangselektrode 15 zwischen den Schichten 17 und 19» eine erste, angetriebene Elektrode 16 a zwischen den Schichten 18 und 17 und eine zweite, angetriebene Elektrode 16 b unterhalb der Schicht 19 und zwischen dieser Schicht und einer leitfähigen oder nicht-leitfähigen Plastikhülle 14 a auf, die die Unterlage 11 einschließt. Eine leitfähige Hülle kann zur Abschirmung verwendet werden, obwohl dies in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht notwendig ist, wenn eine entsprechende Hochpaßfilterung angewendet wird. Die Elektroden 15» 16 a

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und 16 b bestehen vorzugsweise aus einem flexiblen Drahtnetz, das im wesentlichen die gleiche Länge und Breite wie die Unterlage 11 hat. Gegebenenfalls können die Elektroden aus einer leitfähigen Plastikfolie oder aus mehreren dünnen Metallplatten bestehen, die durch feine Drähte miteinander verbunden sind, so daß sich jede Platte unabhängig bewegen kann. Es ist wichtig, da3 die Elektroden genügend flexibel und nachgiebig sind, so daß sie sich mit kleinen Bewegungen der Unterlage auf einer großen, zentral liegenden Fläche im wesentlichen über der ganzen Oberseite der Unterlage bewegen können. Die Schaumschicht 19 ist vorzugsweise dichter und steifer ausgebildet als die Schaumschichten 17 und 13. Wenn ein atmendes Kleinkind oder ein anderes Subjekt auf der Unterlage 11 liegt, oder wenn die Unterlage 11 unter einer Wiegen- oder Inkubator-Matratze liegt, verursacht die Relativbewegung zwischen den Elektroden I5 u-id 16 aufgrund der Atmungsbewegungen eine Kapazitätsänderung, die erheblich größer als die Kapazitätsänderung ist, die zwischen den Elektroden 15 und 16 b auftreten würde, die weiter von dem Kleinkind entfernt liegen und durch einen weniger nachgiebigen Schaum getrennt sind. LIit der Anordnung der Unterlage 11 gemäß den Fig. 7 und 8, bei der zwei angetriebene Elektroden vorgesehen sind, ist jedoch eine teilweise Löschung von statischen Änderungen aufgrund von unterschiedlichem Körpergewicht des überwachten Subjektes gegeben.

Fig. 9 zeigt das grundlegende Blockdiagramm des vorderen Endes der Wechselstrom-Meischaltung, die mit der schematisch gezeigten Unterlage 11 verwendet werden kann. Die angetriebenen Elektroden 16 a und 16 b sind mit gegenüberliegenden Seiten der Sekundärwicklung eines Antriebstransformators 31 verbunden, der Wechselstromspannungen E, und -E, liefert, die die gleiche Amplitude, jedoch entgegengesetzte Phasen, in typischen Fällen 10 - 25 Volt bei 50 KHz, haben. Der Antrieb kommt von einem Oszillator 35» wobei die 50-KHz-Antriebssignale als Trägersignal dienen. Die Empfangselektrode 15 ist mit dem Eingang eines Ladungsverstärkers 32 mit den Verstärkungsgrad K verbunden, der ein Ausgangssignal E^ liefert, das proportional zu den

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Kapazitätsänderungen zwischen den Elektroden 15 und 16a und den Elektroden 15 und 16 b ist, die sich gegenseitig löschen, wenn sie gleich groß sind. Die Definitionen der Kapazitäten sind im wesentlichen die gleichen, wie sie in der obigen Gleichung (1) verwendet wurden, mit der Ausnahme, daß sie differentielle Werte sind (durch einen Strich angedeutet). C _Q ^f ist die statische, kapazitive Abweichung von dem abgeglichenen Zustand, die nahe bei null liegen kann.

Der Ausgang E₁ des Ladungsverstärkers 32 ist gegeben durch:

e₄ (13)

und das Verhältnis K der Signalniveaus an dem Eingang und dem Ausgang des Ladungsverstärkers 32 ist definiert durch:

^E f (14)

Das Ausgangssignal E. wird durch einen Widerstand R^ an einen Wechselstromverstärker 36 gekoppelt, der mit einem S3mchrondemodulator 37 verbunden ist, um ein Gleichstrom-Ausgangssignal E, zu liefern. Das Ausgangssignal E, wird durch einen Wi derstand Rj an eine Integratorsehaltung 3θ angekoppelt, die einen Integrationskondensator Cj aufweist und die Spannung E-. integriert, um eine Spannung E. zu erzeugen, die die Eingangsspannung für eine selbsttätige Nullschaltung 39 ist. Die Nullschaltung 39 erzeugt eine Wechselstrom-Ausgangsspannung Ep, die mit dem Oszillator 35 synchronisiert ist und die entgegengesetzte Phase zu E.. hat, die über einen Widerstand R₁ ^f an den Eingang des Verstärkers 36 geleitet wird. Die Ausgangsspan— nung E., kann auch an den Ausgang und eine Auswert schaltung angekoppelt werden, wie sie in dem Monitor gemäß Fig. 10 vorgesehen ist.

Die selbsttätige Nullschaltung 39 wirkt als Synchronmodulator, der die Signalspannung E₂ erzeugt, um langzeitige Kapazitätsänderungen zwischen den Elektroden 15, 16 a und 16 b zu loschen

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und -um zu gestatten, daß kurzzeitige Änderungen als Ausgangsspannung E-, auftreten. Wie dies vor sich geht, ergibt sich aus den unten angegebenen Gleichungen, in denen R₁ = R₁' und K₁ = Verhältnis der Spannungsniveaus (E. — Ep)/E,, Kp das Verhältnis der Spannungsniveaus Ep und E., W die Winkelfrequenz des Auftretens des Signales E₁, die bei einem schlafenden Kleinkind im allgemeinen W_R, das heißt die Winkelfrequenz der Atmung des Kleinkindes ist, und T₁ die Zeitkonstante des Integrators 38 und gleich RjC j ist:

E₂ (A.C.)
^K2 ⁼ E₄ (D.O.) ^¹⁵'

E₃ = K₁ (E₁ - E₂) (16)

E₃ E

^E4 = j H

Aus den Gleichungen 15, 16 und 18 ergibt sich: K₁ E₁

¹J

ι—

wobei j der imaginäre Operator γ - 1 ist.

Es ist ersichtlich, daß alle sehr langsamen Kapazitätsänderungen ausgeglichen werden, wenn W sehr klein oder null ist. Wenn keine Bewegung stattfindet, fährt der Integrator 35 fort, die Spannung E, zu integrieren, so daß eine Vergrößerung oder Verminderung von E₂ bewirkt wird, bis E₂ = E₁ und E, = 0. Wenn ein Kleinkind auf die Unterlage 11 gelegt wird, wird der Effekt von C ^f und C , ^f ausbalanciert. Auf ähnliche Weise wird eine Gewichtsverlagerung des Kleinkindes ausbalanciert. Fortwährende Körperbewegungen werden jedoch nicht ausgeglichen. Daher machen sich die Atmungsbewegungen (die als sinusartige Bewegungen angenommen werden) bemerkbar als:

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E₁ = K₀C_R» sin Wt . (20)

nachdem alle statischen Unausfreglichenheiten gelöscht sind. Da her gilt:

KKC

sin (Wt - Φ) (21)

Der Bereich des selbsttätigen Nullabgleich^ muß genügend groß sein, um jeden statischen Fehlabgleich zu löschen, d. h.:

> (22)

Daher liefert der Schaltkreis, der durch die Schaltungskomponenten 36, 37» 38 und 39 gebildet wird, eine Verstärkung der Signale auf einem hohen Niveau und eine Erfassung dieser Signale, während er gleichzeitig als elektronischer Hochpaßfilter dient, um die relativ langfristigen Kapazitätsänderungen zurückzuweisen.

Die Ähnlichkeit zwischen den Lösungen der Gleichungen, die sich auf die Gleichstrom- bzw. die Wechselstrom-Ausführungsbeispiele beziehen, sind für das dynamische Verhalten zu beachten, d. h. sowohl die Gleichstrom-, als auch die Wechselstromausführungsbeispiele weisen wenigstens einen einpoligen, elektronischen Hochpaßfilter auf, um statische oder langfristige Kapazitätsänderungen zurückzuweisen oder auszugleichen, die mehrere tausendmal größer sind als die Änderungen, die gemessen werden sollen. In der Praxis wird jedoch der Aktivitäts- und Apnoe-Monitor in Wechselstromausführung bevorzugt, weil:

a) das Antriebssignal, beispielsweise bei 50 KHz, bei brauchbaren Spannungsniveaus ungefährlich ist

b) der Wechselstromverstärker 36 (der aus mehreren in Reihe geschalteten Verstärkerstufen bestehen kann) immer in ihrem

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Bereich bei Abgleich wegen der selbsttätigen Nullschaltung 39 betrieben werden kann

c) die große Trennung zwischen der Frequenz des 50-KHz-Antriebssignales und der Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz (näherungsweise 10 Oktaven) es einfacher macht, Streuspannungen zurückzuweisen, ohne die Unterlage vollständig abschirmen zu müssen.

Indem man das Ausgangssignal E, durch einen geeigneten Tiefpaßfilter schickt, können Rauschfrequenzen in dem Frequenzbereich der Atmungsbewegungen ebenfalls gedämpft oder vollständig ausgefiltert werden.

Typische Zahlenwerte, die in der Vorrichtung nach der grundlegenden Ausführung der Schaltung gemäß Fig. 9 verwendet werden, sind:

K₀ = 0,25 V/pF

K₁ = 225

K₂ = 0,1

R₁ = 10 Megohm

C₁ = 2 Mfd

T₁ = 20 see.

Die effektive Zeitkonstante der Nullabgleichsschleife (d. h. die Zeit, die erforderlich ist, um die Korrektur zu 63 i° durchzuführen) ist:

>eff ⁺ TJT₂ = V$ = °>⁸9 ^sec· (²3>

Je kurzer T «„ ist, desto schneller erholt sich die Schaltung von einer Änderung in der statischen Fehlbalance. Je langer ^eff ist, desto kleiner ist die Dämpfung des Ausgangs E-. bei den Atmungsfrequenzen. Bei 20 Atmungsbewegungen pro Minute oder 0,33 Atmungsbewegungen pro Sekunde ist der Dämpfungsfaktor von A unter Verwendung der oben beispielsweise angegebenen Zahlen:

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^{1 1} ",^OQ (24)

j_0»ö9 (Ο,33Γ(2Τ ; .J

Unter Verwendung des automatischen Nullabgleichs kann daher die Basislinie oder das Nullniveau des Signales E-. automatisch auf ein neues Niveau eingestellt werden, wenn eine verhältnismäßig langfristige Kapazitätsänderung, d. h. über 1 see. oder langer, zwischen den Elektroden der Unterlage 11 auftritt.

In den Fig. 10-13 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Aktivitäts- und Apnoe-Monitors 13 A gezeigt, der ähnlich wie der Monitor 13 aufgebaut ist, mit der Ausnahme, daß die Anzeige der Atmungsfrequenz als analoge Ablesung statt einer Ziffernablesung angezeigt wird, wie sie durch die Zahl 50 in dem Fenster 13 a in Fig. 1 gezeigt ist. Auch kann gegebenenfalls ein Zähler für die Aktivitätsereignisse vorgesehen sein, der in dem Monitor 13 von Fig. 1 nicht gezeigt ist. In Fig. 13 kann die schematisch gezeigte Unterlage 11 nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein. Die Ausführungsform nach den Fig. 7 und 8 ist in Zusammenhang mit der Schaltung von Fig. 10 dargestellt. Der Monitor gemäß den Fig. 10-13 ist daher geeignet, um Apnoe, Atmungsfrequenz und Aktivitäten zu messen und anzuzeigen und einen Alarm zu geben, wenn Apnoe oder übermäßige Aktivitäten auftreten. Der Monitor ist bei menschlichen und tierischen Lebewesen zu Hause, in Krankenhäusern oder in wissenschaftlichen Laboratorien geeignet.

Wie in Fig. 10 gezeigt ist (gleiche Bezugszahlen werden verwendet, um in Zusammenhang mit Fig. 9 bereits beschriebene Teile zu bezeichnen), ist der Antriebstransformator 31 durch Trenntransformatoren T₁ und Tp angeschlossen, die vorzugsweise zur Trennung der 50-Hz-Netzfrequenz und für die Sicherheit des Pa-

. tienten vorgesehen sind. Der Ausgang E₁ des Ladungsverstärkers 32 wird an einen Summierverstärker und Begrenzer 40 zuge-

, führt, der wie die Widerstände R₁ und R₁ ¹ in Fig. 9 dazu dient, die Ausgänge E₁ des Ladungsverstärkers 32 und E₂ der Nullschal-

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tung 39 aufzusummieren, und der ferner dazu dient, verhältnismäßig große und langzeitige KapazitätsSchwankungen, die durch Körperbewegungen des Patienten auf der Unterlage verursacht werden, daran zu hindern, die Schaltung in die Sättigung zu treiben und den Monitor unwirksam zu machen. Der Begrenzerabschnitt des Verstärkers 40 verhindert, daß der Wechselstromver— stärker 36 vollständig in die Sättigung geht, so daß die Nullschaltung 39 schneller arbeiten und das Wechselstromsignal an dem Ausgang des Verstärkers 36 in der richtigen Phase zur Erfassung durch den Synchrondemodulator 37 halten kann. Der Ausgang des Summierverstärkers und Begrenzers 40 wird an den Eingang des mit einer großen Verstärkung ausgerüsteten Wechselstromver— stärkers 36 gegeben, wo er auf ein verwendbares Niveau verstärkt und dann an den Eingang des Synchrondemodulators 37 gegeben wird. Der Synchrondemodulator 37 _t der mit den Antriebssignalen E^ und -E^ synchronisiert ist, erfaßt nur Signale in der richtigen Phase, werst Rauschsignale zurück und liefert einen Gleichstromausgang E-., der dann an einen Tiefpaßfilter 41 geleitet wird, der Rauschsignale ausfiltert, die von dem Synchrondemodulator 37 nicht zurückgewiesen wurden. Der Ausgang E, des Synchrondemodulators 37 wird auch an einen Integrator 38 und die Nullschaltung 39 zugeführt, die, wie bereits erwähnt wurde, langzeitige Kapazitätsänderungen an dem Eingang des Ladungsverstärkers 32 durch Rückkopplung eines Wechsel— stromsignales korrigiert, das die gleiche Amplitude und die entgegengesetzte Phase wie das Signal hat, das von der langzeitigen Kapazitätsänderung an dem Ausgang des Verstärkers 32 erzeugt wird. Dieses Rückkopplungssignal wird mit dem Eingangssignal bei dem Summierverstärker 40 summiert, wodurch der Gleichstromausgang des Synchrondemodulators 37 mit einer langsamen Geschwindigkeit auf null zurückgeführt wird, um eine neue Basislinie zu schaffen.

Das Wechselstromsignal an dem Ausgang des Tiefpaßfilters 41 wird an einen Wechselstromverstärker 42 geleitet, wo es zur Signalverarbeitung verstärkt wird. Der Ausgang des Wechselstromverstärkers 42 wird dann an einen Hochniveauvergleicher 43

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und einen Tiefniveauvergleicher 44 zugeführt, die beide gewöhnliche Spannungsniveau—Vergleicher sein können, die einen Ausgang liefern, wenn das Spannungsniveau am Eingang einen voreingestellten Schwellenwert übersteigt. Ein Hochpaßfilter (nicht gezeigt) mit sehr tiefer Grenzfrequenz kann nach dem Gleichstromverstärker verwendet werden, um Probleme mit einer Gleichstromversetzung aufgrund von Vorspannungsströmen zu eliminieren, Der Hochniveau-Vergleicher 43 kann so eingestellt werden, daiS er auf Signalniveaus anspricht, die 10-mal größer als das Atmungssignal sind und die als Signale klassifiziert werden können, die eine Aktivität (außer der Atmungsbewegung) des überwachten Subjektes darstellen. Der Ausgang des Hochniveauvergleichers 43» der auf einem niedrigen Niveau (d. h. null Volt) ist, wenn der Eingang von dem Verstärker 42 über dem Schwellenwert liegt, und der auf einem hohen Niveau (d. h. 5 Volt) liegt, wenn das Eingangsniveau unter dein Schwellenwert ist, wird an einen Schnell-Nullschalter 45, einen Aktivitatsalarm 46 und einen Zähler 47 für die Aktivitätsereignisse zugeführt. Der Aktivitatsalarm 46 kann ein Blitzlicht oder ein hörbarer Alarm sein. Der Zähler 47 zählt und speichert jedes Ereignis, das als Aktivität klassifiziert wird. Der Schnell-Nullschalter 45 wird jedesmal eingeschaltet, wenn der Ausgang des Hochniveauvergleichers auf ein tiefes Niveau geht. Der Ausgang wird an den Integrator 38 so angeschlossen, daß die Zeitkonstante des Integrators 38 verkleinert wird, so daß die Ausgangsgleichspannung E-. des Synchrondemodulators 37 früher zu null Volt zurückkehrt. Der Schwellenwert des Tiefniveauvergleichers 44 ist so eingestellt, daß er kleinere Kapazitätsänderungen an dem Eingang des Ladungsverstärkers 32 als der Vergleicher 43 erfaßt und diese Ereignisse als Atmungsbewegungen klassifiziert. Der Ausgang des Tiefniveauvergleichers 44 wird an eine Atmungsfrequenz-Meßschaltung 48 und eine Zeitverzögerungs-Rücksetz- : schaltung 51 zugeführt, die eine vorbestimmte Zeitverzögerung j bei jedem Ausgangssignal von dem Tiefniveau-Vergleicher 44 zurücksetzt. Wenn die Zeitverzögerung nicht innerhalb einer vor- ', bestimmten Zeitdauer im Bereich von 10-20 Sekunden zurückge- ! setzt wird, ändert sich der Ausgang der Rücksetzschaltung '51,

" "~ "TÖ~98i A/08 76 ·

und das Ausgangssignal wird an einen Apnoe-Alarm 52 weitergeleitet. Der Apnoealarm 52 kann ein Blitzlicht oder ein hörbares Signal oder beides sein, wobei jedes Alarmsignal anzeigt, daß eine Unterbrechung der Atmung aufgetreten ist. Die Meßschaltung 48 mißt die Atmungsfrequenz und liefert ein (xleichspannungs-Ausgangssignal proportional zu der Frequenz an eine Anzeige eines Analogmeßgerätes 13 b oder an einen Analog-zu-Ziffernumsetzer (nicht gezeigt), um eine Ziffernanzeige, beispielsweise die Ziffernanzeige 13 a von Fig. 1, anzutreiben. Dieses G-leichstromsignal wird auch an einen Hoch-Tief—Atmungsfrequenzvergleicher 49 zugeführt, der ein Ausgangssignal abgibt, wenn die Atmungsfrequenz eine vorbestimmte Frequenz über- oder unterschreitet. Der Ausgang des Vergleichers 49 wird dann an einen Frequenz-Alarm 50 zugeführt, der ein Blinklicht (beispielsweise das Licht I3 ein Fig. 1) oder ein hörbarer Alarm sein kann. In dem Monitor 13 von Fig. 1 kann beispielsweise der Lichtalarm 13 c sowohl für den Atmungsfrequenzalarm, als auch für den Aktivitätsalarm 46 verwendet werden.

Der Integrator 38 und die Nullschaltung 39, deren Funktion oben beschrieben wurde, können auf verschiedene Weise ausgebildet sein, um eine mechanische oder elektronische Löschung von langzeitigen Kapazitätsänderungen zu liefern. Bevorzugte Schaltungen für die Nullschaltung 39 und den Integrator 38 sind in Fig. 11 und vereinfachte Schaltungen sind in Fig. 12 gezeigt. Auch der Schnell-Nullschalter 45 kann ein mechanischer oder elektrischer Schalter sein, der in der oben beschriebenen Weise arbeitet. Eine bevorzugte Ausführungsform solch eines Schalters 45 ist in Fig. I3 gezeigt.

Gemäß Fig. 11 weist ein Ausführungsbeispiel der Nullschaltung 39 und des Integrators 38 einen Verstärker A₁ auf, der als reiner Integrator angeschlossen ist, einen Rückkopplungskondensator mit einer Kapazität von G_T hat und als Fehlerver-

J- ι

stärker für die selbsttätige Nullschaltung wirkt. Der Gleichspannungsausgang E-. des Synchrondemodulators 37 wird durch die Reihenwiderstände R₂ und R^ an den Eingang des Verstärkers A^

A 0 9 81' kl 0 8 7 6 ~

zugeführt, der null Volt oder Erde als Bezugspunkt hat. Die Integrationszeitkonstante des Verstärkers A₁ wird durch das Produkt der Eingangswiderstände (R₂ +R^) X G₁ bestimmt. Der Verstärker Ap ist ein Gummierverstärker und Niveauschieber, der ein Halb einer differentiellen Antriebsspannung an die Steuerelektroden (Gatter) von zwei Feldeffekttransistoren Q₁ und Q₂ liefert. Während der Ausgang des Verstärkers A₁ mehr ins Positive geht, geht der Ausgang des Verstärkers Ap mehr ins Negative. Die Differential—Ausgangsspannungen der Verstärker A₁ und A₂ werden an die Gatterelektroden der Feldeffekttransistoren Q₁ und Q₂ zugeführt, die als Einrichtungen mit variabler Impedanz wirken. Die Eingänge der Feldeffekttransistoren Q₁ und Qp sind mit dem Antriebstransformator 31 verbunden, so da3 die Eingangssignale 50-KHz-oinuswellen sind, die die gleiche Amplitude, jedoch die entgegengesetzte Phase haben. Die Ausgänge der Feldeffekttransistoren Q₁ und Q₂ sind miteinander verbunden und werden an dem Eingang eines Verstärkers A, summiert und dann durch den Verstärker A-. verstärkt, um eine Rückkopplungsspannung E₂ zu liefern. Die Verstärkung des Verstärkers A-, und daher das Signalniveau der Rückkopplungsspannung Ep wird durch einen Rückkopplungswiderstand R~, der zwischen Ausgang und Eingang angeschlossen ist, und die Impedanz der Feldeffekttransistoren Q₁ und Q₂ bestimmt, die als Funktion der Gleichspannungsniveaus an den Gatterelektroden variiert. Der Ausgang Ep des Verstärkers A, ändert seine Amplitude und Phase, wenn die Differential—Gleichspannung, die an die Gatterelektroden der Feldeffekttransistoren Q₁ und Q₂ angelegt wird, von einem Extremwert zum anderen geht. Der Ausgang E₂ des Verstärkers A, wird an den Eingang des Summierverstärkers 40 zurückgeführt und mit dem Ausgang E₁ des Ladungsverstärkers summiert, um dieses Signal zu löschen und die Basislinie (E,) bei null Volt Gleichspannung zu halten.

Wenn die Integrationszeitkonstante ordnungsgemäß ausgewählt ist, ergeben daher kurzzeitige Kapazitätsänderungen, wie sie beispielsweise durch die Atmungsbewegung verursacht werden, Signale an dem Ausgang des Synchrondemodulators 37 oberhalb

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und unterhalb einer Basislinie bei im wesentlichen gleich null Volt. Unter diesen Bedingungen bleibt der Eingang und der Aus—* gang des Verstärkers A-. konstant. Wenn eine langzeitige Kapazitätsänderung auftritt (d. h. länger als -die Zeitkonstante, gegeben durch (Rp + R^) X (C₁), beispielsweise wenn ein Kleinkind ί in seiner Position auf der Unterlage 11 verschoben wird), macht der Verstärker A, eine langsame Änderung durch und liefert ein ' anderes AusgangsSpannungsniveau Ep, um den Langzeit— oder Mittelwert der Spannung E₁ von dem Ladungsverstärker 32 von Fig. zu löschen. :

Eine andere Ausführungsform einer selbsttätigen Nullschaltung ist in Fig. 12 gezeigt. Diese Schaltung ist wie die Schaltung ι von Fig. 11 ausgeführt, mit der Ausnahme, daß Varaktordio- ! den D₁ und D₂ als variable Elemente in der Rückkopplungsschleife verwendet werden. Die Kapazität der Varaktoren zwischen Anode und Kathode ändert sich, wenn die Gleichstromvorspannung über der Diode variiert wird. Der Verstärker A₁ ist wieder als reiner Integrator angeschlossen und dient als Fehlerverstärker ; für die selbsttätige Nullschaltung. Der Gleichspannungsausgang E, des Synchrondemodulators 37 wird durch in Reihe geschaltete Eingangswiderstände R_? und R-^ an den Eingang des Verstärkers A₁ zugeführt, der als Bezugspunkt null Volt hat. Die Integrationszeitkonstante ist wieder durch das Produkt (Rp + R-J X C-J- bestimmt. Der Verstärker Ap ist ein Summierverstärker und Niveauschieber, der ein Halb der Differential-Gleichstrom-Vorspannung für D₁ und Dp liefert. Die Varaktordioden D₁ und Dp werden durch 50-KHz—Sinuswellen von dem Antriebstransformator 31 angetrieben, die die gleiche Amplitude und entgegengesetzte Phase haben. Der Ausgang der Dioden D₁ und Dp wird an dem Eingang des Ladungsverstärkers A, summiert, und sein Ausgang wird auf ein verwendbares Niveau Ep verstärkt und an die Kapazitäts-Meßschaltung an dem Eingang des Verstärkers 40 in Fig. 10 zugeführt, wo er mit dem Ausgang E₁ des Eingangsladungsverstärkers summiert wird. Wenn die Eingangsspannung E-. für den Verstärker A₁ null Volt über- oder unterschreitet, ändert sich die Gleichstrom-Vorspannung über den Dio-

den D₁ und Dp, um die erforderliche Amplitude und Phase zu liefern, so daß die Kapazitätsänderung an dem Eingang der Kapazitäts-Meßschaltung in derselben Weise korrigiert wird, wie oben in Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel von Fig. 11 beschrieben wurde.

In beiden Fig. 11 und 12 ist die Schnell-Nullschaltung 45 als mechanischer Schalter gezeigt, der den Eingangswiderstand R₉ kurzschließt, um die Integrationszeitkonstante des Integrators 38 zu verkleinern, immer, wenn die Spannung E, ein vorbestimmtes hohes Niveau übersteigt. Wie in Fig. 13 gezeigt ist, weist jedoch eine bevorzugte Ausführungsform dieses Schalters Transistoren Q^ und Q- und einen Feldeffekttransistor Q₁- auf, der eine sehr hohe Impedanz im ausgeschalteten Zustand und eine niedrige Impedanz im eingeschalteten Zustand zeigt. Der Ausgang des Hochniveauvergleichers 43» der beispielsweise + 5 V sein kann, wird an den Transistor Q-. zugeführt. Die Transistoren Q, und Q. sind normalerweise leitend, wodurch das Gatter des Feldeffekttransistors Q₅ bei etwa - 15 V gehalten wird, so daß der Feldeffekttransistor im ausgeschalteten Zustand gehalten wird. Wenn die Basislinien-Spannung E, das voreingestellte hohe Niveau übersteigt, schaltet der Hochniveauvergleicher um, und sein Ausgang geht auf null Volt, wodurch die Transistoren Q-, und Q. ausgeschaltet werden. Dadurch wird J wiederum der Feldeffekttransistor Q₁- eingeschaltet und der ι Widerstand Rj mit einer niedrigen Impedanz kurzgeschlossen, um die Integrationszeitkonstante zu reduzieren. Der Feldeffekttransistor Q₅ bleibt eingeschaltet, bis E., auf ein voreinge-J steiltes, niedriges Niveau zurückkehrt, wenn der Hochniveau— vergleicher 43 auf + 5 V zurückkehrt, wodurch die Transistoren Q-. und Q. eingeschaltet und der Feldeffekttransistor Q^ ausgeschaltet werden.

Bei den erfindungsgemäßen Schaltungen ist der Eingangsverstärker als Ladungsverstärker gezeigt, d. h. mit einer Kapazität in der Rückkopplungsschleife, die die Empfangselektrode der Unterlage auf die virtuelle Erde klemmt. Der Ladungsverstärker

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mit dem Gleichstrom—Rückkopplungswiderstand R-? dient als Hoch— paßfilter. In der Gleichstromschaltung hat der Widerstand R_f keine Funktion, als den Eingangsverstärker zu stabilisieren. Der Ladungsverstärker mit der Kapazität G« liefert jedoch eine Leistungsverstärkung des Hochfrequenzsignals mit einer minimalen Phasenverschiebung und mächt die Dreipunkt-Kapazitätsmessung im wesentlichen unabhängig von der Kabellänge. Es kann jedoch ein anderer geeigneter Eingangsverstärker verwendet werden, wenn all die anderen funktionsmäßigen Schaltungserfordernisse in der alternativen Schaltung erfüllt sind.

Die Kapazitätsmessung kann zwischen einer Elektrode in der Unterlage und einer geerdeten, angetriebenen oder Empfangselektrode unterhalb der Matratze durchgeführt werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Prinzipiell bezieht sich die Erfindung auf eine nachgiebige Matratze oder Unterlage mit wenigstens einer flexiblen Elektrode, die sich über einen erheblichen Abschnitt (d. h. den Teil, auf dem das Kleinkind mit großer Wahrscheinlichkeit zu liegen kommt) der Matratzenoberfläche erstreckt, so daß eine Kapazitätsänderung auftritt, wenn die LI at ratzenfläche niedergedrückt wird.

Für die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung ist ein elektronischer Hochpaßfilter mit einer Zeitkonstante Rf-Gf. (Fig. 4) und R-J-GjZK₁K₂ in der Wechselstromversion wesentlich, wobei die Zeitkonstante lang genug ist, um Signale bei Atmungsoder Aktivitätsfrequenzen, die gemessen werden sollen, durchzulassen.

In dem Wechselstromausführungsbeispiel wird eine selbsttätige Nullschaltung verwendet (die ein Synchronmodulator oder ein Analogmultiplier, der das 50-KHz-Signal augenblicklich mit dem Integratorausgang multipliziert, sein kann), um ein Signal Ep für den Langzeitausgleich zu liefern, wobei das letztere Signal das Produkt von einer Phase der Bezugs-Trägerspannung bei 50 KHz und der Integratorausgangsspannung E. ist. In Fig. 9 ■ wird das Produkt E.R. verwendet, um langzeitige Änderungen an

"" "" To 9 δΤΓΤο 8 7 6

dem Ausgang des Verstärkers 32 zu löschen. Diese Löschung bzw. der Signalausgleich könnte jedoch auch an dem Eingang des Verstärkers 32 durchgeführt werden.

Wie aus der vorhergehenden Beschreibung hervorgeht, kann mit Hilfe der Unterlage 11 und des Monitors 13 ein Subjekt, beispielsweise ein Kleinkind, überwacht werden, ohne daß an das Subjekt selbst Drähte angeschlossen werden müssen, so daß sich eine vollständige Sicherheit für das Subjekt ergibt. Der Monitor ist in gleicher V/eise für die Verwendung in einem Krankenhaus, einer Privatwohnung oder einem wissenschaftlichen oder medizinischen Laboratorium geeignet. Entweder die Unterbrechung der Atmung (Apnoe) oder eine Aktivität, die auftritt, wenn das Kleinkind nach Luft ringt, löst einen Alarm aus, so daß die Möglichkeit gegeben ist, Gegenmaßnahmen zu ergreifen.

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Claims

Pate ntansprüche

M. !Einrichtung, die auf die Bewegung eines menschlichen oder ■•tierischen Körpers anspricht, um eine Anzeige für einen Zustand des Körpers zu geben, gekennzeichnet durch eine nachgiebige, kapazitive Unterlage (11), die auf eine Bewegung des Körpers, wenn dieser auf die Unterlage (11) gelegt wird, eine Kapazitätsänderung liefert, und durch eine Kapazität s-Meßvorrichtung, die mit der Unterlage koppelbar ist und auf die Kapazitätsänderung anspricht, um ein die Anzeige darstellendes Ausgangssignal zu erzeugen, wobei die Meßvorrichtung einen elektronischen Hochpaßfilter (21) aufweist, um Kapazitätsänderungen in der Unterlage im wesentlichen zurückzuweisen, die im Vergleich zu der Dauer der Kapazitätsänderungen, die durch den angezeigten Zustand verursacht werden, relativ langzeitig sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Unterlage (ii) wenigstens eine nachgiebige Elektrode (15, 16) aufweist, die sich unterhalb eines erheblichen Teiles der Oberfläche der Unterlage (11) erstreckt.

•
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Elektroden (15, 16) vorgesehen sind, die durch ein elastomeres Material getrennt sind.

Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ersten Niveaudetektor (25, 44), der auf die Atmungsbewegung des Körpers anspricht, und durch einen zweiten Niveaudetektor (24, 43), der auf eine größere Aktivität als die Atmungsbewegung des Körpers anspricht.

Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (45), um die Ansprechzeit des Hochpaßfilters zu verkürzen, wenn die Aktivität ein vorbestimmtes Niveau übersteigt.

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6. Einrichtung, insbesondere nach Anspruch. 1, gekennzeichnet durch eine nachgiebige Unterlage (11), die wenigstens einen beachtlichen Teil des Gewichts des Körpers abstützen kann, mehrere, unter Abstand angeordnete Elektroden (15, 16 a, 16 b) in der Unterlage (11), wobei die Elektroden einen Kondensator bilden, der auf die Bewegung der Unterlage (11) über wenigstens einem beachtlichen Teil der Oberfläche der Unterlage anspricht, und durch eine elektronische Kapazität s-Meßvorrichtung, die mit den Elektroden (15, 16 a, 16 b) gekoppelt ist, um ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von den Kapazitätsänderungen zwischen den Elektroden zu liefern.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden eine angetriebene Elektrode (16) und die andere eine Empfängselektrode (15) ist, und daß die Heßvorrichtung eine Quelle für eine Antriebsgleiehspannung aufweist, die an die angetriebene Elektrode (16) anschließbar ist, und daß ein Eingangsverstärker (21) an die Empfangselektrode (15) anschließbar ist, wobei die Unterlage (11) ferner eine elektrisch leitfähige, nachgiebige Hülle (14) zur Abschirmung der Elektroden (15, 16) gegen äußere elektrostatische Felder aufweist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung Einrichtungen (22 bis 30) aufweist, die

j an den Verstärker (21) angeschlossen sind und auf dessen

Ausgang ansprechen, um eine Anzeige der Aktivität des Körpers zu liefern, die eine einen vorgewählten Betrag übersteigende Kapazitätsänderung zwischen den Elektroden (15,

16) verursacht.

9t Einrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (15, 16) auf Atmungsbewegungen anspricht, und daß die Meßvorrichtung Einrichtungen aufweist, die mit dem Verstärker (21) verbunden sind, um einen Alarm zu liefern, wenn die Atmung während wenigstens einer vorbestimm-

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ten Zeitdauer unterbrochen ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden eine angetriebene Elektrode (16) und die andere eine Empfangselektrode (15) ist, und daß die Lleßvorrichtung eine Quelle (31) für eine Antriebs-Wechselspannung aufweist, die an die angetriebene Elektrode (16) anschließbar ist, und daß ein Eingangsverstärker (32) an die Empfangselektrode (15) anschließbar ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsverstärker ein Ladungsverstärker (32) ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Elektrode als Antriebselektrode vorgesehen ist, und daß die angetriebenen Elektroden (16a, 16b) in der Unterlage (11) so angeordnet sind, daß die Empfangselektrode (15) zwischen den angetriebenen Elektroden (16 a, 16 b) und unter Abstand zu diesen liegt, und daß die Quelle für Antriebs-Wechselspannungen Antriebsspannungen für die angetriebenen Elektroden (16 a, 16 b) liefert, die im wesentlichen gleich groß sind und entgegengesetzte Phase haben.

13. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtring ferner eine Einrichtung aufweist, die mit dem Eingangsverstärker (32) verbunden ist und auf dessen Ausgangssignal anspricht, um eine Anzeige der Aktivität des Körpers zu liefern, die bewirkt, daß die Kapazitätsänderung zwischen den Elektroden einen vorbestimmten Wert überschreitet.

Η. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (15, 16) auf die Atmungsbewegung anspricht, und daß die Heß vorrichtung ferner eine Einrichtung aufweist, die mit dem Eingangsverstärker verbunden ist, um . einen Alarm zu geben, wenn die Atmung während wenigstens

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einer vorbestimmten Zeitdauer unterbrochen ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Me3vorrichtung ferner eine Kapazitätseinrichtung aufweist, um im wesentlichen statische Kapazitätsänderungen zwischen den Elektroden (15, 16) auszugleichen, und daß die Wechselstromquelle für die Antriebsspannungen ebenfalls mit der Kapazitätseinrichtung verbunden ist und eine Antriebsspannung an diese liefert, die dieselbe Amplitude wie die Antriebsspannung der angetriebenen Elektrode, jedoch mit entgegengesetzter Phase hat.

16. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (15, 16) auf die Aktivität und die Atmung eines menschlichen oder tierischen Körpers, einschließlich auf eine Apnoe, anspricht, und daß die Meßvorrichtung einen elektronischen Hochpaßfilter aufweist, der auf den Ausgang des Eingangsverstärkers (32) anspricht, um im wesentlichen Kapazitätsänderungen zwischen den Elektroden (15, 16) von verhältnismäßig langer Dauer im Vergleich zu der Dauer der Kapazitätsänderungen aufgrund des überwachten Zustandes zurückzuweisen.

17· Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung eine selbsttätige Nullschaltung (39)» eine Einrichtung zum Summieren des Ausgangs des Eingangsverstärkers (34) und des Ausgangs der selbsttätigen Nullschaltung (39)» einen Synchrondemodulator (37)» der auf den Ausgang der Summiereinrichtung anspricht, um ein Ausgangs-Gleichspannungssignal zu liefern, und einen Integrator (38) aufweist, der zwischen der Nullschaltung (39) und dem Synchrondemodulator (48) angeschlossen ist und auf das Ausgangs— (xleichspannungssignal anspricht, wenn es eine verhältnismäßig lange Dauer im Vergleich zu der Dauer der Kapazitätsänderungen aufgrund des überwachten Zustandes hat, um zu bewirken, daß die Nullschaltung (39) ein Ausgangssignal zur Aufsummierung mit dem Ausgang des Ladungsver-

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stärkers (32) erzeugt, wodurch eine erhebliche Verminderung
des Niveaus des Ausgangs-Gleichspannungssignals verursacht
wird, wobei verhältnismäßig langzeitige Kapazitätsänderungeri zwischen den Elektroden (15, 16) im wesentlichen zurückge- ^! wiesen werden. ' ,

18. Einrichtung nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß : die Meßvorrichtung ferner eine Schnell-Null—Einrich- ' tung (45) aufweist, die auf das Ausgangs-Gleichspannungs-

signal anspricht, wenn dieses ein vorbestimmtes Niveau über-i

steigt, um eine Herabsetzung der Ansprechzeit des Integrators (38) zu bewirken.

19. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß ; sich das Ausgangs-Gleichspannungssignal in Abhängigkeit von J der Atmung des menschlichen oder tierischen Körpers ändert, I und daß die Meßvorrichtung eine Apnoe-Alarmeinrichtung auf- ' weist, die auf das Ausgangs-Gleichspannungssignal und eine j Unterbrechung der Atmung für wenigstens eine vorbestimmte ; Zeitdauer anspricht, um einen Alarm zu geben, und daß ; schließlich eine Einrichtung vorgesehen ist, die auf das : Ausgangs-Gleichspannungssignal anspricht, um eine sichtbare J Anzeige der Atmungsfrequenz des Körpers zu geben.

20. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß j

ι sich das Ausgangs-Gleichspannungssignal proportional zu der

Aktivität und Atmung des menschlichen oder tierischen Körpers ändert, und daß die Heßvorrichtung ferner einen Hochniveauvergleicher (43), der auf das Ausgangs-Gleichspannungssignal anspricht, wenn es ein vorgewähltes, relativ
hohes Niveau übersteigt, um ein ein Aktivitätsereignis anzeigendes Ausgangssignal zu liefern, eine Aktivitätsalarmeinrichtung, die auf das ein Aktivitätsereignis anzeigende
Ausgangssignal anspricht, um einen Alarm zu geben, einen
Tiefniveau-Vergleicher (44), der auf das Ausgangs-Gleiehspannungssignal anspricht, wenn es auf einem verhältnismäßig; niedrigen Signalniveau ist, welches für die Atmung reprä—

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sentativ ist, um ein Atmungs-Ausgangssignal zu liefern, eine Verzögerungseinrichtung, die auf das Atmungsausgangssignal anspricht, um ein Apnoealarmsignal zu erzeugen, wenn kein Atmungsausgangssignal während wenigstens einer vorbestimmten Zeitdauer erfaßt wird, einen Apnoealarm, der auf das Apnoealarmsignal anspricht und Alarm gibt, eine Atmungsfrequenz-Meßvorrichtung, die auf das Atmungs-Ausgangssignal anspricht und eine sichtbare Anzeige der Atmungsfrequenz gibt, und eine Atmungsfrequenz-Alarmeinrichtung aufweist, die auf das Atmungsausgangssignal anspricht und einen Alarm gibt, wenn die Atmungsfrequenz einen im wesentlichen unnormalen Wert hat.

21. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochpaßfilter einen Integrator, der auf den Ausgang des Eingangsverstärkers (32) anspricht, und eine selbsttätige Nullschaltung (39) aufweist, die auf den Ausgang des Integrators (38) anspricht, wobei die Nullschaltung (39) eine Einrichtung mit variabler Impedanz aufweist, die auf den Ausgang des Integrators (38) anspricht, um das Wechselstrom-Ausgangsniveau der Nullschaltung (39) zu steuern.

22. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (15, 16) auf die Aktivität und Atmung eines Körpers, einschließlich auf den Zustand der Apnoe, anspricht, und daß die Meßvorrichtung einen Hochpaßfilter mit Rückkopplung aufweist, um die Wirkung von Kapazitätsänderungen zwischen den Elektroden zurückzuweisen, die eine verhältnismäßig lange Zeitdauer im Vergleich zu der Zeitdauer der Kapazitätsänderungen haben, die von dem gemessenen Zustand abhängen.

23. Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die FiItereinrichtung einen Demodulator aufweist, der auf die Kapazitätsänderungen zwischen den Elektroden (15, 16) anspricht und ein Ausgangs-Gleichspannungssignal liefert, und daß die FiItereinrichtung .ferner eine selbsttätige

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Nullschaltung (39)» einen Integrator (38), der zwischen der Nullschaltung (39) und dem Demodulator angeschlossen ist, und eine Ausgleichsschaltung aufweist, um zu bewirken, daß der Ausgang der Nullschaltung (39) relativ langzeitige Änderungen des Ausgangssignales löscht und die' Basislinie des Ausgangs-G-leichspannungssignales im wesentlichen auf null Volt hält.

24. Einrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsverstärker ein Ladungsverstärker (32) mit einer kapazitiven Rückkopplungsschleife ist, und daß die Ausgleichsschaltung mit dem Ausgang des Ladtingsverstärkers (32) verbunden ist, um verhältnismäßig langzeitige Änderungen in dem Ausgang des Ladungsverstärkers zu löschen.

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