DE3439238A1 - Verfahren und anordnung zur telemetrischen messung der herzpulsation und des ekg-signals durch anwendung eines magnetischen nahfeldes - Google Patents

Verfahren und anordnung zur telemetrischen messung der herzpulsation und des ekg-signals durch anwendung eines magnetischen nahfeldes

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Description

Seppo Sä,ynäjäkangas · ::.. " :::*.!·;.
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90440 Kempele, Finnland 3 " " 24. Oktober 1984
VERFAHREN UND ANORDNUNG ZUR TELEMETRISCHEN MESSUNG
DER HERZPULSATION UND DES EKG-SIGNALS DURCH ANWENDUNG
EINES MAGNETISCHEN NAHFELDES
Den Gegenstand dieser Erfindung bildet ein Verfahren und eine Anordnung zur telemetrischen Messung der Herzpulsation und des EKG-Signals, nach welchem Verfahren das Herzpulsations- oder EKG—Signal einer Person an einer geeigneten Stelle des Körpers gemessen und aus einem separaten Transmitter in einen separaten Empfänger übertragen wird.
Beim Leistungssport, Training und Gesundheitssport ist es wichtig, die Herzpulsation zuverlässig und ohne Unterbrechungen während der Leistung zu messen, ohne dass die Leistung die Messung stört. Man kennt verschiedene auf Radiowellen und kapazitive Phenomena gegründete drahtlose Messgeräte, bei denen ein z.B. am Handgelenk zu tragender Empfänger und ein an einer geeigneten Stelle des Körpers befestigter Transmitter benutzt werden.
Obwohl die auf die obenerwähnten Datenübertragungsweisen gegründeten Lösungen brauchbar sind, bietet die mit dem der Erfindung entsprechenden Verfahren verwirklichte Messungsweise einen sicheren und einfachen V/eg zur Ausführung telemetrischer Messungen.
Das Verfahren nach der Erfindung ist hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, dass die telemetrische Datenübertragung unter Anwendung eines magnetischen Nahfeldes erfolgt, indem in der Transmittereinheit mit einem am Körper angezeigten und verstärkten Herzpulsations oder EKG—Signal Magnetspulen gesteuert werden, die ein Wesentlichermassen mehrdimensionales gerichtetes Magnetfeld erzeugen, und indem in dem Empfänger das genannte Magnetfeld mit einer Spulenkonstruktion angezeigt wird, die ein zumindest teilweise entsprechender. mehrdimensionales Magnetfeld-Richtungsdiagramm hat.
Nach dem Verfahren wird das EKG-Signal oder die Herzpulsation einer Person an einer geeigneten Stelle des Körpers in einem separaten Transmitter gemessen und dieses Signal in einem Signalverstärker verstärkt. Mit dem auf einen geeigneten Spannungspegel verstärkten EKG- oder Herzpulsationssignal werden über einen Kraftverstärker drei im Verhältnis zueinander senkrecht installierte Magnetspulen mittels Drehstromsignale, die der Herzpulsation gemäss abgetastet sind, gesteuert. Dieses durch die Spulen geführte Drehstromsignal erzeugt in der Umgebung des Transmitters ein sog. magnetisches Nachfeld gleichzeitig auf eine für jede Spule charakteristische Weise. Durch die Zusammenwirkung der Spulen entsteht hiermit in der Umgebund des Transmitters ein leicht zu messendes dreidimensionales und beinahe zirkulär symmetrisches Magnetfeld.
In dem Empfänger sind entsprechenderweise drei im Verhältnis zueinander senkrecht installierte separate Spulenelemente zwecks Anzeige des sich um den Transmitter entstehenden Magnetfeldes angebracht. So kann die Herzpulsationsübertragung zuverlässig und ohne störende Unterbrechungen empfangen werden.
Andere günstige Anwendungsformen des der Erfindung entsprechenden Verfahrens sind durch das gekennzeichnet, was in den nachstehend ausgedrückten Patentansprüchen dargelegt ist.
Die der Erfindung entsprechende Anordnung, mit welcher Anordnung sich das Herzpulsations- oder EKG-Signal einer Person messen und aus einem separaten Transmitter in einen separaten Empfänger übertragen lässt, ist hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, dass in der Transmittereinheit und in dem Empfänger zur Erzielung der telemetrischen Übertragung Spulenkonstruktionen benutzt sind, die ein hauptsächlich mehrdimensionales Mapnetfeld-Richtungsdiagramm haben.
Andere günstige Anwendungsformen der der Erfindung entsprechenden Anordnung sind hauptsächlich durch das gekennzeichnet, was in den nachstehend ausgedrückten Patentansprüchen dargelegt ist.
Mit den erwähnten dreidimensionalen Spulenkonstruktionen des Transmitters und des Empfängers wird durch die Zusammenwirkung der Konstruktionen beinahe spärisch symmetrische Messung in der Umgebund des Transmitters erzielt und somit eine sehr zuverlässige und ununterbrochene Datenübertragunsverbindung zwischen dem Transmitter und dem Empfänger hergestellt. Es ist festgestellt worden, dass die dem dargestellten Verfahren entsprechenden Anordnungen auch in der Praxis sehr gut funktionieren und sich zur Anwendung sogar bei schwierigsten Sportgattungen wie Schwimmen, Hürdenlauf, Kurzstreckenlauf, Geländelauf, Orientierungslauf, Skilaufen, usw. eignen. Das dargestellte auf Anwendung des Magnetfeldes gegründete Messverfahren ist ausserdem eines der wenigen Mess- und Datenübertragungsverfahren, die im V/asser funktionieren.
Verfahren und Anordnung der Erfindung werden im folgenden mit Hilfe einiger günstiger Anwendungsformen und Figuren beschrieben, indem auf die beigefügten Zeichnungen hingewiesen wird, wo
Fig. 1 die telemetrischen Transmitter- und Empfängergeräte der Herzpulsierung und des EKG-Signals sowie die in diesen angebrachten Magnetspulen, die im Verhältnis zueinander in drei senkrechten Richtungen installiert sind, darstellt.
Fig. 2a das von einer Magnetspule gebildete
Magnetfeld-Richtungsdiagramm in x-y Koordinaten darstellt.
F ir.. ?b die Kurvoriform des EKG-Signals und die Wellenform dew in die Spule geführten Drehstromsignals, das ein abgetastetes Magnetfeld erzeugt, darstellt.
Fi6· 3 das von drei Magnetspulen - erzeugte Magnetfeld-Richtungsdiagramm in x-y-z Koordinaten darstellt.
Fig. 4 die von einer mit einem dreidimensionalen Ferritkern versehenen Spule gebildeten Magnetfeldvektoren in x-y-z Koordinaten darstellt.
Fig. 5 in Form eines Blockdiagrammes die Schaltung einer der Erfindung entsprechenden Anordnung in einem Messgerät der Herzpulsierung und des EKG-Signals darstellt.
Fig. '6 den Schaltplan des Kraftverstärkers des Transmitters und der daran angeschalteten Transmitterspulen darstellt.
Fig. 7 den Schaltplan der Vorverstärkerstufe des Empfängers und der daran angeschalteten Empfängerspulen darstellt.
In der Figur 1 ist ein an der Brust zu tragender Transmitter
1 der Herzpulsation und ein am Handgelenk zu tragender Empfänger
2 dargestellt. Mit den in dem Transmitter installierten EKG-Elektroden 3 wird das EKG-Signal der Person angezeigt und elektronisch in ein Drehstromsignal umgewandelt, das im Transmitter 1 in die Spulen eingespeist wird. Während das Drehstromsignal durch die Spüler, lauft, wird von ihm in der Umgebung jeder der Spulen 5 die entsprechenden Magnetfelder H , H und H gleichzeitig erzeugt.
χ y χ
Dementsprechend messen die im Empfänger 2 im Verhältnis zueinander senkrecht installierten drei Spulen 7 die Magnetfelder h , h und ϊϊ in der Umgebund des Empfängers 2. Mit der dargestellten Konstruktion hat man unabhängig von Veränderungen, die in den gegenseitigen Stellungen der Spulen durch Körperbewegungen vorkommen, gesichert, dass in beina". 3 allen Stellungen zumindest eine der Empfängerspulen 7 das von den Spulen 5 des Transmitters erzeugte Magnetfeld anzeigen kann.
In der Figur 2a ist eine Magnetspule L dargestellt, durch welche ein der Figur 2b entsprechend mit dem EKG-Signal 4 der Person abgetastetes Drehstromsignal 6 gespeist ist. Während das Drehstromsignal 6 durch die Spule L läuft, erzeugt es das gerichtete Magnetfeld Ηχ . Der Verlauf dieses Magnetfeldes in der Umgebung der Spule L kann mit äquipotentiellen Flusslinien 8 dargestellt werden. Das Magnetfeld h^ , das .sich in der Umgebung der Spule punktweise ermessen lässt, ist immer parallel mit einer sich schliessenden Flusslinie. Es ist bekannt, dass dieses Feld h^ sowohl in seiner Richtung als auch in seiner Feldstärke sehr stark variiert, was das Anzeigen eines von nur einer Magnetspule erzeugten Magnetfeldes erschwert.
In der Figur 3 sind in x-y-z Koordinaten die Magnetfelder H„, H„ und H„ dargestellt, die mit dem Drehstromsignal6der drei im Verhältnis zueinander senkrecht installierten Magnetspulen 11 erzeugt sind. Das Richtungsdiagramm der durch die Zusammenwirkung der Spulen 11 entstandenen Magnetfelder ist symmetrisch in den Richtungen x, y und z, aber im Felddiagramm kommen Schattenbereiche vor, wo das Magnetfeld in seiner Richtung und Stärke weiterhin stark variiert. Indem
zur Messung des hiermit entstandenen Magnetfeldes eine auch in drei senkrechten Richtungen messende Spulenkonstruktion 7 im Empfänger 2 benutzt wird, wird durch die Zusammenwirkung der dargestellten Konstruktionen ein vom Standpunkt des Transmitters her fast sphärisch symmetrisch funktionierendes Messverfahren zwischen dem Transmitter 1 und dem Empfänger 2 erreicht.
In der Figur 4 ist eine andere Anwendungsform der der Erfindung entsprechenden Anordnung dargestellt, wo eine Spule 9 ist, die mit drei gegeneinander senkrecht befindlichen Ferritkernteilen 10 versehen ist, welche die Magnetfeldvektoren
H , H und H bilden,
x y ζ
Das in so eine Spule 9 eingespeiste Drehstromsignal 6 erzeugt . in der Umgebung der Spule ein in all den Richtungen x, y und ζ messbares Magnetfeld. Durch die dargestellte Konstruktion kann man die drei separaten Spulen 11 sowohl in dem Transmitter 1 als auch in dem Empfänger 2 ersetzen und damit ein ähnliches beinahe sphärisch symmetrisches Messverfahren erreichen.
Die Elektroden des Herzpulsations- und EK I-Signalmessgerätes sind in der Figur 5 direkt an die differentiellen Eingangspolen 12 und 13 des EKG-Vorverstärkers angeschaltet. Das von dem Vorverstärker 14 gelieferte EKG-Herzsignal wird in einem AGC-Verstärker 15 (AGC=Automatic Gain Control) verstärkt.
Mit dem AGC-Verstärker wird der Kraftverstärker 16 gesteuert, in welchem ein die Spulen 17 steuerndes Drehstromsignal erzeugt wird. Das von den Empfängerspulen 18 angezeigte Magnetfeld wird in einem empfindlichen Vorverstärker 19 verstärkt, wonach das Signal in einen EKG-Signalverstärker 20 geführt wird.
Aus dem EKG-Verstärker 20 wird das Signal zu einem Mikrocomputer 22 zur Prozessierung geführt. Das Mikrocomputer 22 speichert
die von ihm beim Messvorgang errechneten EKG- und Pulsationsdaten auf einen Halbleiterspeicher 21 ein. Beim Messvorgang liest das Computer die EKG- und Pulsationsdaten und zeigt sie an einer LCD-Anzeige 23 an.
In der Figur 6 ist der Schaltplan der Endstufe des Transmitters und die Weise, wie die Transmitterspulen daran angeschaltet sind, dargestellt.
In die Transmitterspulen 17 wird von der Kraftstufe ein sinusförmiges Drehstromsignal 6 eingespeist, das in der Umgebung der Transmitterspulen ein entsprechenderweise alternierendes Magnetfeld 8 erzeugt.
Die Transistoren 24,25 steuern die Transmitterspulen 17 mit einem von Zeit zu Zeit grossen Strom, um das alterniedende Magnetfeld 8 zu erzeugen. Die Widerstände 27, 28 beschränken den Grundströme der Transistoren 24,35. Der Kondensator 29 wird zur Speicherung der für jeden Output-Burst erforderlichen Energie benutzt und durch den Wiserstand 26 mit der Speisespannung V+ während der Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Output-Bursts geladen. Der Kondensator 30 bildet zusammen mit den Transmitterspulen 17 eine LC-Schaltung, deren Resonanzfrequenz durch die Gesamtinduktion der Transmitterspulen 17 und den Kapazitätswert des Kondensators 30 bestimmt ist.
In der Figur 7 ist die Schaltung der Empfängerspulen 18 an die Vorverstärkerstufe 19/Fig. 5 dargestellt, wo das von den Empfängerspulen 18 angezeigte Magnetfeld 8 auf einen ausreichenden Spannungspegel verstärkt wird zwecks Zuführung in den nächsten Pulsvärstärker 20/Fig. 5. Das von dem Pulsverstärker 20 verstärkte Drehstromsignal wird angezeigt und weiter auf einen von dem Mikrocomputer 22 des Empfängers verlangten Spannungspegel verstärkt.
-IT-/-: : l-r-M-
Die Vorverstärkerstufe der Figur 7 besteht aus drei hintereinandergeschalteten Transistorstufen 31,32,33. Die Widerstände 41,42,43,44; 45,46,47,48 und 49,50,51,52 bestimmen die Verstärkung und die Gleichstromvorspannungen jeder Transistorstufe. Die Kondensatoren 34,38,39,40 bestimmen die untere Eckfrequenz des Vorverstärkers. Die höhere Eckfrequenz wird von den integrierenden Kondensatoren 35,36,37 bestimmt.
Einem Fachmann der Branche ist es klar, dass sich die verschiedenen Anwendungsformen der Erfindung auf das obenangeführte Beispiel nicht beschränken, sondern im Rahmen der nachstehend ausgedrückten Patentansprüche variieren können.

Claims (5)

Zy. PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur telemetrischen Messung der Herzpulsation und des EKG-Signals, nach welchem Verfahren das Herzpulsations- oder EKG-Signal einer Person an einer geeigneten Stelle des Körpers gemessen und aus einem separaten Transmitter (1) in einen separaten Empfänger (2) übertragen wird, dadurch gekennzei chnet, dass die telemetrische Datenübertragung unter Anwendung eines magnetischen Nahfeldes erfolgt, indem in der Transmittereinheit (1) mit einem am Körper angezeigten und verstärkten Herzpulsations- oder EKG-Signal Magnetspulen (5) gesteuert werden, die ein Wesentlichermassen mehrdimensionales gerichtetes Magnetfeld
(H , H , H ) erzeugen, und indem in dem Empfänger (2) das x y ζ
genannte Magnetfeld mit einer Spulenkonstruktion (7) angezeigt wird, die ein zumindest teilweise entsprechendes mehrdimensionales Magnetfeld-Richtungsdiagramm (h , h^, hz) hat.
2. Verfahren nach dem Patentanspruch 1, dadurch
gekennzeic h η e t, dass in dem Transmitter (1) und in dem Empfänger (2) mit Hilfe von Magnetspulen (11 und 9,10), die sich im Verhältnis zueinander senkrecht befinden, beinahe sphärisch symmetrische Magnetfeld-Richtungsdiagramme erzielt werden.
3. Anordnung zur Anwendung des dem Patentanspruch 1 entsprechenden Verfahrens, mit welcher Anordnung sich das Herzpulsations- oder EKG-Signal einer Person messen und aus einem separaten Transmitter (1) in einen separaten Empfänger (2) übertragen lässt, dadurch ge ke nn ze i c hn et, dass in der Transmittereinheit (1) und in dem Empfänger (2) zur Erzielung der telemetrischen Datenübertragung Spulenkonstruktionen (5,7) benutzt sind, die ein hauptsächlich
mehrdimensionales Magnetfeld-Richtungsdiagramm (H , H , Hr _ _ _ χ y 5
und h , h , h ) haben,
χ y ζ
4. Anordnung nach dem Patentanspruch 3, dadurch
gekennze i c h η et, dass die Spulenkonstruktion des Transmitters (1) und/oder i des Empfängers (2) aus drei Magnetspulen (11) besteht, die zur Erzielung eines wesentlich sphärisch symmetrischen Magnetfeld-Richtungsdiagramms im Verhältnis zueinander senkrecht sind.
5. Anordnung nach dem Patentanspruch 3, dadurch
gekennze i c h n.e t, dass die Spulenkonstruktion des Transmitters und/oder des Empfängers aus einer Spule (9) besteht, die mit drei gegeneinander senkrecht befindlichen Ferritkernteilen (10) versehen ist.
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