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CH675675A5 - Transmission network for biological instrumentation signals - multiplexers outputs of channels and transmits via IR path - Google Patents

Transmission network for biological instrumentation signals - multiplexers outputs of channels and transmits via IR path
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CH675675A5
CH675675A5CH2123/88ACH212388ACH675675A5CH 675675 A5CH675675 A5CH 675675A5CH 2123/88 ACH2123/88 ACH 2123/88ACH 212388 ACH212388 ACH 212388ACH 675675 A5CH675675 A5CH 675675A5
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CH
Switzerland
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transmission
arrangement according
transmission arrangement
signals
circuit
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CH2123/88A
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German (de)
Inventor
Ludwig Walter Allgoewer
Martin Weiss
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Ergonomics Ag
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Abstract

A number of ECG probes is located on the body of an individual undergoing a medical examination. The probes are coupled to preamplifiers (1) and the signals processed by pass band filters (2). The multiple lines used for individual signals are then redirected to a single serial transmission line by a mulitplexer (3). The analogue signals are converted to digital form (4), encoded (5) and transmitted (6) by an i.r. link. A remote station receives the data which are processed and demultiplexed for recording. ADVANTAGE - Reduces number of lines for signal handling.

Description

Translated fromGerman

     Die vorliegende Erfindung betrifft eine Übertragungsanordnung für biologische Signale nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.   Zur Diagnose mancher Krankheiten verwendet man oft in der Kardiologie Elektrokardiographen (EKG), die durch Anlegen von bis zu 9 Elektroden auf der Haut des Patienten gewonnene Messwertsignale liefern, um über die Potentialverläufe in den verschiedenen Teilen der Herzmuskulatur Auskunft zu geben. Der behandelnde Arzt soll daher in der Lage sein, zehn Kanäle für neun EKG-Signale und ein Referenzsignal aufzuzeichnen und auszuwerten.   Ein übliches EKG-Aufnahmegerät, das sich heute nahezu in jeder Arztpraxis befindet, besteht aus einem Vorverstärker für die aufgenommenen Signale und einem Schreiber, der je nach Ausführung einen oder mehrere Kanäle gleichzeitig aufzeichnen kann.   Meist besitzen diese Geräte einen Umschalter, so dass sich nacheinander die verschiedenen Ableitungen darstellen lassen. Für die Darstellung existiert ein internationaler Standard. Der Patient ist also für die Zeit der Messwerterfassung über ein zehnadriges, abgeschirmtes Kabel mit dem EKG-Schreiber verbunden. Diese Tatsache hat zur Folge, dass der Patient relativ unbeweglich wird, da sein Bewegungsspielraum durch die Länge des Kabels beschränkt ist und er sich nicht zu stark bzw. heftig bewegen darf, weil sonst die Elektroden der Brustableitung abfallen. Es liegt also nahe, hier Abhilfe zu schaffen, und das Elektrodenkabel durch ein geeigneteres Übertragungsmedium zu ersetzen.   Als Alternative hierzu bietet sich die optische Übertragung. Auch hier findet man auf dem Markt verschiedene Systeme, die allerdings für andere Zwecke konzipiert sind und deshalb in bezug auf die Datenübertragungsraten den für die vorliegende Anwendung gestellten Anforderungen nicht genügen.   Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Übertragungsanordnung für EKG-Signale zu schaffen, die den gestellten Anforderungen genügt. Sie sollte so konzipiert sein, dass sie vollkompatibel zum bisher eingesetzten Elektrodenkabel ist, so dass sie zusammen mit handelsüblichen EKG-Schreibern einsetzbar ist. Ein weiteres Ziel der Erfindung sollte sein, die Kosten möglichst niedrig und die  Bedienung einfach zu gestalten, so dass die Anordnung für jede Arztpraxis interessant wäre.   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Anordnung mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.   Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.   Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:     Fig. 1ein Blockschaltbild der erfindungsgemässen Anordnung,    Fig. 2 das Blockschaltbild einer Infrarotstrecke zu dieser Anordnung,    Fig. 3 eine schematische Darstellung des Impulssignals am Ausgang eines Treibers des Senders einer solchen Anordnung,    Fig. 4 das Blockschaltbild eines anderen Übertragungssystems für eine solche Anordnung,    Fig. 5 das Blockschaltbild einer anderen Ausführung einer erfindungsgemässen Anordnung,    Fig. 6 das Blockschaltbild einer Multiplexiereinrichtung zum Sendeteil einer solchen Anordnung, und    Fig. 7 das Blockschaltbild einer Demultiplexiereinrichtung zum Empfangsteil dieser Anordnung.    Die Anordnung nach Fig. 1 umfasst einen Sendeteil 1 bis 6 und einen Empfangsteil 7 bis 12. Der Sendeteil weist eine eingangsseitig mit je einem der zehn eingangs erwähnten Sondensignalen beaufschlagte Vorverstärkerschaltung 1 auf, deren Ausgänge über je ein Filter einer Bandpassfilterbank 2 mit den Eingängen eines Multiplexers 3 verbunden sind, dessen Ausgang über die Reihenschaltung eines Analog/Digital-Wandlers und eines Codewandlers 5 an den Eingang einer Sendeschaltung 6 angeschlossen ist.   Der Empfangsteil der Anordnung nach Fig. 1 weist eine Empfängerschaltung 7 auf, deren Ausgang über die Reihenschaltung einer Signalaufbereitungsstufe 8, eines Decoders 9 und eines Digital/Analog-Wandlers 10 an den Eingang eines Demultiplexers 11 angeschlossen ist, dessen zehn Ausgänge über je ein Filter einer Tiefpassfilterbank die Nutzsignale liefern.   Die Sendeschaltung 6 nach Fig. 1 kann beispielsweise aus einem Treiber 21 (Fig. 2) und einer lichtemittierenden Diode 22 bestehen. In diesem Fall könnte die Empfängerschaltung 7 (Fig. 1) durch die Reihenschaltung einer Fotodiode 23, eines  Impedanzwandlers 24, eines Verstärkers 25 und eines Komparators 26 nach Fig. 2 gebildet sein.   Die Anordnung nach den Figuren 1 und 2 funktioniert nun folgendermassen: Die eine maximale Amplitudenbreite in der Grössenordnung von 0,6 mV aufweisenden Sondensignale werden einzeln in der Vorverstärkerschaltung 1 auf etwa +/- 300 mV verstärkt. Die nachgeschalteten Filter 2 dienen zur Entstörung und umfassen sogenannte Notchs und Antialiasingfilter. Der Multiplexierer 3 weist einen Umtaster auf, der eine zeitliche Verschachtelung der zehn Signale bewirkt. Die Abtastfrequenz kann beispielsweise 500 Hz betragen. Der nachgeschaltete Analog/ Digital-Wandler 4 liefert beispielsweise serialisierte 12-Bit-Wortdaten. Der Codewandler 5 kann ein Manchester-Encoder, ein SDLC-Coder oder ein anderer Wandler sein, der die Störsicherheit der Datenübertragung verbessert.  Der mit den digitalen Signalen beaufschlagte Treiber 21 liefert schmale jedoch starke Impulse I der Fotodiode 22, die Infrarotimpulse gemäss Fig. 3 von beispielsweise 10 Watt diffus in den Raum ausstrahlt.   Die Infrarotimpulse gelangen an die Fotodiode 23 sehr abgeschwächt, so dass der Impedanzwandler 24 der Schlüssel zur Funktion der Strecke ist. Als Impedanzwandler 24 kann ein  Operationsverstärker LM357 dienen, wobei bei Verwendung einer PPM (Pulse-Position-Modulation) auch der IR-Empfänger SL486 von Plessey verwendet werden könnte.   Der Baustein SL486 eignet sich auch in der hier verwendeten Kombination mit SDLC-Codierung sehr gut als integrierter Empfangsbaustein.   Am Ausgang des Komparators 26 erscheint somit ein verstärktes digitales Signal, aus dem in der Signalaufbereitungsstufe 8 ein Taktsignal gewonnen wird, um im Decoder 9 die Adress- und Synchronisier- oder Rahmenwörter von den Datenwörtern unterscheiden zu können. Der nachgeschaltete Digital/Analog-Wandler 10 und der Demultiplexer 11 rekonstruieren die ursprünglichen Signale am Eingang des Multiplexers 3, die über je ein Tiefpassfilter und einen Abschwächer den Eingängen eines handelsüblichen EKG-Aufnahmegeräts zugeführt werden können.    Anstelle einer IR-Strecke könnte man auch ein Kabelübertragungssystem nach Fig. 4 mit einer Sendeschaltung 6' und eine Empfängerschaltung 7 min  verwenden, wobei das Kabel für ein oder mehr multiplexierte Signale vorgesehen sein müsste. Vorzugsweise könnte die Kabelübertragung für ein multiplexiertes Sondensignal und für ein Hilfssignal ausgelegt werden, wobei auch eine Signalübertragung über Lichtwellenleiter möglich ist.   In weiterer Ausgestaltung der Erfindung könnte eine Anordnung nach Fig. 5 mit einem sendeseitigen Sender-Modulator 53 für Frequenzmultiplexierung und mit einer Empfängerschaltung 54 und einem empfangsseitigen Demodulator 55 für Frequenzdemultiplexierung verwendet werden, wobei die Frequenzmultiplex-Signale sowohl über Kabel als auch mit Hilfe einer IR-Strahlung oder über Lichtwellenleiter übertragen werden können.   In weiterer Ausgestaltung der Erfindung bei digitaler Multiplexierung können die Elemente 3, 4 und 5 nach Fig. 1 durch eine Multiplexiereinrichtung mit einer Abtastschaltung 61 gemäss Fig. 6 ersetzt werden. Entsprechendes gilt für die Elemente 9, 10, 11 in Fig. 1, die durch eine mit einer Halteschaltung 71 und einer Abtastschaltung 72 versehene Demultiplexiereinrichtung gemäss Fig. 7 ersetzbar sind. Die Schaltungen nach Fig. 6 und 7 können beispielsweise mit Hilfe des Bausteins Z85C30 CMOS SCC Serial Communications Controller der Firma Zilog, Inc. Campbell, California, realisiert werden, und zwar vorzugsweise mit dem dort definierten Datenfluss: FLAG - ADDRESS - INFORMATION - CRC1 -CRC2 - FLAG. Schliesslich sei noch bemerkt, dass die Schaltungen nach Fig. 6 und 7 auch einfacher, d.h. ohne Mikroprozessor, RAM und EPROM arbeiten können.    Die erfindungsgemässe Anordnung kann ohne weiteres für eine  beliebige Anzahl Sondensignale dimensioniert werden und eignet sich ebenfalls für die Übertragung von anderen bioelektrischen Signalen, z.B. EEG-, Blutdruck-, Puls- und Temperatursignalen.     The present invention relates to a transmission arrangement for biological signals according to the preamble of patent claim 1.  Cardiology often uses electrocardiographs (ECG) to diagnose some diseases, which deliver measurement signals obtained by applying up to 9 electrodes to the patient's skin to provide information about the potential trends in the different parts of the heart muscles. The treating physician should therefore be able to record and evaluate ten channels for nine ECG signals and one reference signal.  A common EKG recording device, which is found in almost every doctor's office today, consists of a preamplifier for the recorded signals and a recorder, which, depending on the version, can record one or more channels simultaneously.  Most of these devices have a changeover switch so that the different leads can be displayed one after the other. There is an international standard for the display. The patient is therefore connected to the ECG recorder via a ten-core, shielded cable for the time of the measured value acquisition. This has the consequence that the patient becomes relatively immobile, since his freedom of movement is limited by the length of the cable and he must not move too much or violently, otherwise the electrodes of the chest lead will fall off. It therefore makes sense to remedy this and to replace the electrode cable with a more suitable transmission medium.  Optical transmission is an alternative to this. Here, too, there are various systems on the market, which, however, are designed for other purposes and therefore do not meet the requirements for the present application in terms of data transfer rates.  It is therefore an object of the present invention to provide a transmission arrangement for EKG signals that meets the requirements. It should be designed so that it is fully compatible with the electrode cable used so far, so that it can be used together with standard ECG recorders. Another aim of the invention should be to keep the costs as low as possible and to make the operation simple, so that the arrangement would be interesting for every doctor's office.  This object is achieved according to the invention by an arrangement with the features specified in the characterizing part of patent claim 1.  Further advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.  Exemplary embodiments of the invention are explained below with reference to the drawing. It shows:    1 is a block diagram of the arrangement according to the invention,   2 shows the block diagram of an infrared path for this arrangement,   3 shows a schematic representation of the pulse signal at the output of a driver of the transmitter of such an arrangement,   4 shows the block diagram of another transmission system for such an arrangement,   5 shows the block diagram of another embodiment of an arrangement according to the invention,   6 shows the block diagram of a multiplexing device for the transmitting part of such an arrangement, and   7 shows the block diagram of a demultiplexing device for the receiving part of this arrangement.   The arrangement according to FIG. 1 comprises a transmitting part 1 to 6 and a receiving part 7 to 12. The transmitting part has a preamplifier circuit 1, each of which has one of the ten probe signals mentioned at the input, the outputs of which are connected to the inputs via a filter of a bandpass filter bank 2 Multiplexers 3 are connected, the output of which is connected to the input of a transmission circuit 6 via the series connection of an analog / digital converter and a code converter 5.  1 has a receiver circuit 7, the output of which is connected via the series circuit of a signal conditioning stage 8, a decoder 9 and a digital / analog converter 10 to the input of a demultiplexer 11, the ten outputs of which are each via a filter a low-pass filter bank that deliver useful signals.  1 can consist, for example, of a driver 21 (FIG. 2) and a light-emitting diode 22. In this case, the receiver circuit 7 (FIG. 1) could be formed by the series connection of a photodiode 23, an impedance converter 24, an amplifier 25 and a comparator 26 according to FIG. 2.  The arrangement according to FIGS. 1 and 2 now works as follows: The probe signals having a maximum amplitude width in the order of magnitude of 0.6 mV are individually amplified in the preamplifier circuit 1 to approximately +/- 300 mV. The downstream filters 2 are used for interference suppression and include so-called notchs and anti-aliasing filters. The multiplexer 3 has a key switch, which causes the ten signals to be interleaved in time. The sampling frequency can be 500 Hz, for example. The downstream analog / digital converter 4 supplies, for example, serialized 12-bit word data. The code converter 5 can be a Manchester encoder, an SDLC encoder or another converter which improves the interference immunity of the data transmission.  The driver 21 loaded with the digital signals delivers narrow but strong pulses I of the photodiode 22, which emits infrared pulses according to FIG. 3 of, for example, 10 watts diffusely into the room.  The infrared pulses reach the photodiode 23 very weakly, so that the impedance converter 24 is the key to the function of the route. An operational amplifier LM357 can serve as the impedance converter 24, whereby the Plessey IR receiver SL486 could also be used if a PPM (pulse position modulation) is used.  The SL486 block is also very suitable as an integrated receive block in the combination with SDLC coding used here.  An amplified digital signal thus appears at the output of the comparator 26, from which a clock signal is obtained in the signal processing stage 8 in order to be able to distinguish the address and synchronization or frame words from the data words in the decoder 9. The downstream digital / analog converter 10 and the demultiplexer 11 reconstruct the original signals at the input of the multiplexer 3, which can be fed to the inputs of a commercially available EKG recording device via a low-pass filter and an attenuator.   Instead of an IR link, a cable transmission system according to FIG. 4 with a transmitter circuit 6 'and a receiver circuit 7 min could also be used, the cable having to be provided for one or more multiplexed signals. The cable transmission could preferably be designed for a multiplexed probe signal and for an auxiliary signal, signal transmission via optical waveguides also being possible.  In a further embodiment of the invention, an arrangement according to FIG. 5 could be used with a transmitter-side transmitter modulator 53 for frequency multiplexing and with a receiver circuit 54 and a receiver-side demodulator 55 for frequency demultiplexing, the frequency multiplexing signals being carried out both via cable and with the aid of an IR -Radiation or can be transmitted via optical fibers.  In a further embodiment of the invention in the case of digital multiplexing, elements 3, 4 and 5 according to FIG. 1 can be replaced by a multiplexing device with a sampling circuit 61 according to FIG. 6. The same applies to the elements 9, 10, 11 in FIG. 1, which can be replaced by a demultiplexing device according to FIG. 7 provided with a holding circuit 71 and a sampling circuit 72. 6 and 7 can be implemented, for example, with the aid of the Z85C30 CMOS SCC Serial Communications Controller module from Zilog, Inc. Campbell, California, preferably with the data flow defined there: FLAG - ADDRESS - INFORMATION - CRC1 - CRC2 - FLAG. Finally, it should be noted that the circuits according to FIGS. 6 and 7 are also simpler, i.e. can work without microprocessor, RAM and EPROM.   The arrangement according to the invention can easily be dimensioned for any number of probe signals and is also suitable for the transmission of other bioelectrical signals, e.g. EEG, blood pressure, pulse and temperature signals.

Claims (9)

Translated fromGerman
1. Übertragungsanordnung für biologische Signale, die über einen Übertragungsweg von einem am Körper eines Lebewesens befestigten Sendeteil an einen körperexternen Empfangsteil übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendeteil eine Multiplexiereinrichtung (3, 4; 53) aufweist, um biologische Signale aus verschiedenen Messsonden zu multiplexieren, bevor sie übertragen werden, und dass der Empfangsteil eine entsprechende Demultiplexiereinrichtung (9, 10; 55) umfasst.   1. Transmission arrangement for biological signals, which are transmitted via a transmission path from a transmission part attached to the body of a living being to a body-external reception part, characterized in that the transmission part has a multiplexing device (3, 4; 53) for receiving biological signals from different measuring probes multiplex before they are transmitted and that the receiving part comprises a corresponding demultiplexing device (9, 10; 55).2. Übertragungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragungsweg eine Sendeschaltung (6;2. Transmission arrangement according to claim 1, characterized in that the transmission path is a transmission circuit (6; 53) im Sendeteil und eine über ein Übertragungsmedium mit ihr verbundene Empfängerschaltung (7, 54) im Empfangsteil aufweist. 53) in the transmitting section and a receiver circuit (7, 54) connected to it via a transmission medium in the receiving section.3. Übertragungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Multiplexiereinrichtung (3, 4) aus einem Multiplexer (3) und einem Digital/Analog-Wandler (4) und die Demultiplexiereinrichtung (10, 11) aus einem Digital/Analog-Wandler (10) und einem Demultiplexer (11) besteht.3. Transmission arrangement according to claim 2, characterized in that the multiplexing device (3, 4) from a multiplexer (3) and a digital / analog converter (4) and the demultiplexing device (10, 11) from a digital / analog converter ( 10) and a demultiplexer (11).4. Übertragungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Multiplexiereinrichtung (3, 4) und der Sendeschaltung (6) ein Codewandler (5) und zwischen der Empfängerschaltung (7) und der Demultiplexiereinrichtung (10, 11) ein Decoder (9) eingefügt ist.4. Transmission arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that between the multiplexing device (3, 4) and the transmission circuit (6) a code converter (5) and between the receiver circuit (7) and the demultiplexing device (10, 11) a decoder ( 9) is inserted.5.5. Übertragungsanordnung nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfängerschaltung (7) eine Signalaufbereitungsstufe (8) nachgeschaltet ist, um ein Taktsignal aus dem empfangenen Signal zu gewinnen. Transmission arrangement according to one of claims 2-4, characterized in that the receiver circuit (7) is followed by a signal conditioning stage (8) in order to obtain a clock signal from the received signal.6. Übertragungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsmedium eine Infrarotstrahlung ist.6. Transmission arrangement according to one of claims 2 to 5, characterized in that the transmission medium is infrared radiation.7. Übertragungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängerschaltung (7) die Reihenschaltung einer IR-Diode (23) und eines Impedanzwandlers (24) aufweist.7. Transmission arrangement according to claim 6, characterized in that the receiver circuit (7) has the series circuit of an IR diode (23) and an impedance converter (24).8. Sendeteil für eine Übertragungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einer Multiplexiereinrichtung (3, 4; 53), um die biologischen Signale aus verschiedenen Messsonden zu multiplexieren, bevor sie übertragen werden.8. Transmitting part for a transmission arrangement according to one of claims 1 to 7 with a multiplexing device (3, 4; 53) to multiplex the biological signals from different measuring probes before they are transmitted.9.9. Empfangsteil für eine Übertragungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einer Demultiplexiereinrichtung (9, 10; 55), um die von einem Sendeteil empfangenen multiplexierten biologischen Signale zu demultiplexieren. Receiving part for a transmission arrangement according to one of Claims 1 to 7, having a demultiplexing device (9, 10; 55) for demultiplexing the multiplexed biological signals received by a transmitting part. 
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