AT404797B - Vorrichtung zur anwendung und aufbewahrung von hautelektroden bei elektrostimulation und messung bioelektrischer signale am menschlichen körper - Google Patents

Description

AT 404 797 B

Einleitung

Die gegenständliche Erfindung beschreibt eine neuartige Elektrodenbefestigung an Bekleidungsgegenständen zur Anwendung und Aufbewarung von mehrfach verwendbaren Elektroden für Elektrostimulation und Messung bioelektrischer Potentiale an der Körperoberfläche. Diese Befestigung ermöglicht eine einfache und schnelle Handhabung von mehrfach verwendbaren Oberflächenelektroden und ist vorzüglich bei Elektrostimulation und EMG-Messung geeignet.

Die elektrische Stimulation kann aus verschiedenen Gründen erfolgen: - Aufbau von Muskeln während oder nach langer Bettlägrigkeit - Trainingsunterstützung im Sport und in der Raumfahrt - Wiedererlangung von Bewegungsfunktionen bei gelähmten Patienten - zur Reizstromtherapie z.B. nach Zerrungen oder Verkühlung

Bei der funktionellen Stimulation von Muskeln werden über zwei Elektroden Stromimpulse in den Körper geleitet, die entweder direkt auf einen Muskel (oder Muskelpartie) oder auf die Nervenbahnen, die diese Muskeln ansteuern, wirken. Dies hat eine Muskelkontraktion zur Folge. Die Elektroden werden über dem gewünschten Muskel jeweils nahe der Muskelenden positioniert, sodaß die Stromlinien das entsprechende Areal durchdringen.

Die Kurvenform der Stimulationsspannung bzw. des Stimulationsstromes kann je nach Anwendung (funktionelle Elektrostimulation oder verschiedene Therapieformen) sehr verschieden sein und reicht von Nadelimpulsfolgen bis zu kontinuierlichen hochfrequenten Sinusformen.

Die elektromyografische Messung zeigt die Aktivität eines willkürlich oder künstlich betätigten Muskels und ist unter anderem ein Maß für die Kontraktionskraft und die Ermüdung. In Zusammenhang mit der Elektrostimulation kann die Wirkung dieser Stimulation ermittelt werden, wobei die Elektroden zwischen den Stimulationselektroden im Bereich des maximalen Muskeldurchmessers liegen.

In den meisten Fällen erfolgt die Messung bipolar, d.h. das Signal wird von zwei, ca. 2.5cm auseinander plazierten Meßelektroden gewonnen. In diesem Fall werden zwei kleine Elektroden auf einer Elektrodenlasche plaziert (siehe weiter unten).

Elektroden:

Im Gegensatz zu EKG-Elektroden, die meist im Zentrum eines Kleberinges ein Schwämmchen mit elektrisch leitendem Gele aufweisen, sind Stimulations- und EMG-Elektroden oft über die gesamte Klebefläche leitend.

Die Elektrodenform kann rund, oval oder rechteckig sein, wobei die Elektrodenfläche für die EMG-Messung mit ca 1-2 cm2 klein gegenüber der für die Elektrostimulation (bis über 100 cm2) ist. Mehrfach verwendbare Klebe-Elektroden müssen zwischen den Anwendungen auf einer speziellen wachsartigen Oberfläche, - z.B. teflonbeschichtetes Papier - angebracht werden, damit sie problemlos wieder abgelöst werden können und die Klebefläche keine Verunreinigung erfährt.

Kabelverbindungen zwischen Elektroden und dem Verstärker bzw. Stimulationsgerät sind während der Anwendung und bei der Aufbewahrung, besonders bei mehreren Kanälen, sehr störend und beeinträchtigen die Lebensdauer und die Betriebssicherheit. Als Beispiel sei eine aktuelle Anwendung erwähnt, bei der an beiden Beinen die Ober- und Unterschenkel jeweils an der Vorder- und Hinterseite stimuliert werden und gleichzeitig von jeder dieser insgesamt acht Muskelpartien das EMG gemessen wird. Pro Muskelpartie sind zwei Elektroden für die Stimulation und zwei Elektroden für die EMG-Messung notwendig. Die somit insgesamt 32 Elektrodenkabel würden ohne besondere Maßnahmen - z.B. wie sie die gegenständliche Erfindung darstellt - die Anwendung zu einer sehr mühsamen Prozedur machen.

Dieses Projekt soll zur Erhaltung der Muskelmasse bei Kosmonauten während Langzeitflügen dienen, wobei vorerst eine Langzeit-Bodenstudie durchgeführt wird. Ein Versuchsprotokoll sieht unter anderem eine 2-monatige Anwendung mit den Intervallen 12 Stunden Stimulation und 12 Stunden Pause vor. In der Pause werden die Elektroden entfernt. Das bedeutet, daß die Elektroden ca. 60 mal angebracht und wieder entfernt werden. Die gegenständliche Erfindung ist somit eine enorme Erleichterung für die Versuchskandidaten.

Die zwischenzeitliche Entfernung der Elektroden ist notwendig, um der Haut eine entsprechende Regenerationsphase zu ermöglichen. Aus Hygienegründen wird von jeder Versuchsperson eine eigene Hose und eine eigenes Elektrodenset verwendet, (siehe auch "Austauschbarkeit der Elektroden").

Die Aufgabe besteht also darin, eine Befestigung für Elektroden zu entwickeln, die eine mehrfache Benützung gewährleistet. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Elektroden auf einer Lasche befestigt sind, die ihrerseits am Rand einer Fensteröffnung im Bekleidungsgegenstand fest oder lösbar befestigt ist, wobei an einem anderen Fensterrand eine zweite Lasche mit einer Elektrodenaufbewahrungsfolie angebracht ist, die im Falle der Anwendung der Elektrode als Schutzklappe über der Elektrodenklappe 2

AT 404 797 B geschlossen ist, und im Falle der Nichtanwendung zur Aufnahme der Klebeelektrode dient, sodaß bei der Aufbewahrung sowie beim An- und Ablegen des Bekleidungsgegenstandes die Klebeschicht der Elektroden geschützt ist und während der Verwendung ein Schutz der Elektroden und Elektrodenkabel, die nicht sichtbar in Stoffkanälen im Bekieidungsgegenstand geführt werden, gegeben ist.

Beschreibung

Die gegenständliche Erfindung beschreibt die Konstruktion in Form eines Bekleidungsgegenstandes bzw. Teile eines Bekleidungsgegenstandes wie z.B. Hose, Hosenbein, Strümpfe, Straps, Body, Weste, Hemd oder Hemdärmel, Stirnband, Haube etc., welche die Integration von einer oder mehrerer Elektroden und die dazugehörigen Aufbewahrungs- und Schutzbeläge sowie der für den Anschluß benötigten elektrischen Kabel ermöglicht und somit die oben genannten Probleme minimiert.

Zu diesem Thema existieren bislang zwei Patentschriften. Die erste vom 8. März 1988 (08.03.88) von GRANEK (US 4 729 377) zeigt ein Kleidungsstück, in welchem Elektroden für elektrische Überwachung und Stimulation integriert sind. Es sind Taschen vorgesehen, die leitfähige Materialien aufnehmen. Diese haben jedoch keine Möglichkeit zum Verschließen. Die zweite (AT E 45 280 B, GENERAL HOSPITAL) vom 26. Jänner 1990 (26.01.90) (Übersetzung der europäischen Patentschrift EP 168 604 B1) zeigt eine Halterung für Sensoren in Form einer Weste. Die Sensoren können in mehreren Bereichen der Weste positioniert werden. Es gibt jedoch keine zusätzliche Möglichkeit zum Schutz der Sensoren.

Die prinzipielle Gestaltung dieser Vorrichtung sieht vor, daß an der Körperstelle, an der eine Elektrode plaziert wird, im Bekleidungselement (1) - vornehmlich Stoff - ein Fenster (2) eingelassen ist, welches den Zugang zu der betreffenden Hautstelle ermöglicht. (Abb. 1 oben)

An den Fensterkanten sind Laschen (3) befestigt, die im geschlossenen Zustand - sich gegenseitig ganz oder teilweise überlappend - die Fensteröffnung bedecken. Die erste Lasche (4) - im folgenden mit Elektrodenlasche bezeichnet - dient zur Aufnahme der Elektrode (5). Die zweite Lasche (6) - im folgenden mit Schutzlasche bezeichnet - dient zur Aufnahme der Schutz- bzw. Aufbewahrungsfläche (7).

Je nachdem, ob die Elektrode benutzt wird, bestimmt, welche der beiden Laschen zuerst geschlossen wird. Wird die Elektrode nicht verwendet, liegt die Schutzlasche auf der Körperhautstelle, wobei die Schutzfolie auf der der Körperoberfläche abgewandten Seite der Lasche liegt (Abb.2.1). Die Elektrodenlasche ist darüber geschlossen, sodaß die Klebefläche der Elektrode auf der Schutzfläche liegt. In diesem Zustand ist ein Kontakt der Klebefläche mit Schmutz und sonstigen Gegenständen nicht möglich. Die der Körperoberfläche zugewandte Teil der Lasche ist aus hautfreundlichem und bequemen Material gefertigt. In diesem Zustand läßt sich das Bekleidungsstück mit dem integrierte Elektrodensystem bequem an- und ausziehen und bis zur nächsten Anwendung sehr gut aufbewahren. Für eine Messung und/oder Stimulation wird die Elektrodenlasche von der Schutzfolie gelöst und nach außen geklappt (Abb.2.2). Dann wird die Schutzlasche nach außen geklappt, sodaß das Fenster frei wird (Abb. 2.3). Anschließend wird die Elektrodenlasche geschlossen, sodaß die Klebeelektrode mit ihrer wirksamen Seite auf der Hautoberfläche klebt (Abb.2.4). Als letzter Schritt wird die Schutzlasche über der Elektrodenlasche geschlossen (Abb.2.5). Ein Klettverschluß an den Rändern und zwischen Schutz- und Elektrodenlasche fixiert diese Position.

Werden die Elektroden nicht mehr verwendet, wird der Vorgang in umgekehrter Richtung durchgeführt. Die Schutzlasche wird von den Klettverschlüssen gelöst und seitlich nach außen geklappt, dann die Klebeelektrode von der Haut gelöst und ebenfalls auf die entgegengesetzte Seite nach außen geklappt, anschließend wird die Schutzlasche geschlossen und zuletzt die Elektrode auf die Schutzlasche geklebt.

Der Rahmen des Fensters (8) ist dabei zwecks Erhöhung der Formstabilität mit einer Versteifung (9) ausgestattet. Das kann sein: ein Flachrahmen aus Federstahlblech, Leder oder Kunststoff oder eine andere Art von Versteifung wie z.B. Federstahldraht oder auch mehrere Stofflagen.

Diese Stabilisierung ist wichtig, damit die Form des Fensters auch nach dem Anziehen des Bekleidungsstückes gewahrt bleibt, damit ein umständliches Zurechtrücken in die richtige Form nicht notwendig ist. Zweites soll die Elektrodenlasche beim Zuklappen eine genaue Position im Bezug zum Fenster haben. Das Fenster muß dadurch nicht wesentlich größer als die Elektroden dimensioniert werden.

Im speziellen Falle der Elektrodenhose (siehe oben erwähntes Projekt) werden die einzelnen elektrischen Kabel (12 in Abb. 1 und Abb.2) in einem Stoffkanal (11 in Abb.1), der sich entlang der äußeren Seitennaht erstreckt, zusammengefaßt. Der Kanal kann mit einem einfachen oder doppelten Reißverschluß längs des Kanales zur einfachen Assemblierung versehen sein. Bei anderen Formen von Bekleidungsgegenständen kann die Führung des Kabels ebenfalls in Stoffbahnen zu einem zentralen Kabelauslaß führen. Diese Maßnahme verhindert ein mühsames Entwirrspiel bei der Verwendung mehrerer Kabel und vermeidet eine Behinderung der Versuchsperson beim An- und Ablegen des Bekleidungsgegenstandes. 3

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Austauschbarkeit der Elektroden bzw. Elektrodenlaschen:

Die Elektroden werden durch das vielfache Anlegen und Entfernen stark beansprucht. Außer der Klebewirkung ist auch die mechanische Beständigkeit betroffen. Bei Langzeitanwendugen ist anzunehmen, daß ein Elektrodenset nicht die ganze Einsatzdauer funktionstüchtig bleibt. Besonders sind die Elektroden für die EMG-Messung vom Qualitätsverlust betroffen, da diese erstens kleinflächiger sind und zweitens kleine Signalamplituden aufnehmen. (Artefaktempfindlichkeit gegenüber Bewegungen und Störungen steigt). Der Austausch des kompletten Kleidungsstückes ist teuer und ineffizient, da unter anderem die verschiedenen Elektroden nicht gleich schnell abgenützt werden. Das Austauschen der Elektroden hat den weiteren Vorteil, daß das Bekleidungsstück leichter gewaschen werden kann. Aus diesen Gründen kann die Konstruktion auch mit austauschbaren Elektrodenlaschen ausgeführt werden.

Die bereits beschriebene Konstruktion bleibt prinzipiell unverändert. Die Elektrodenlaschen werden jedoch nicht direkt mit dem Stoffbasisteil angenäht, sondern mit einem Zippverschluß (10 in Abb. 2.4), Klettverschluß, Druckknöpfen, Häkchen, Schnappverschlüssen, Klemmleisten oder anderen Befestigungsmechanismen, wie sie z.B auch bei BH's zur Anwendung kommen, befestigt.

Das Elektrodenkabel wird mit einem Stecker versehen, der geschützt und nicht sichtbar im Stoffkanal liegt. Die elektrische Verbindung zur Elektrode (bzw. zu den beiden Elektroden bei einer bipolaren Messung) kann auch dirket bei der Verbindungsstelle über einen 1 bis mehrpoligen Flachstecker erfolgen. Die beiden Steckerhälfen werden mit einer Klebe- und/oder Nähverbindung am Bekleidungsteil und an der Elektrodenlasche befestigt.

Zusätzliche Kontakte können für Erweiterungen wie Temperaturmessung oder Impedanzmessung zur Gewebekontrolle oder für eine integrierte Stimulations-EMG-Elektroden-Technik reserviert werden. Bei sochen Anwendungen werden ähnlich wie bei der bipolaren EMG-Messung mehrere Elektroden und andere Sensorelemente (z.B. Thermistor) auf der Eletktrodenlasche befestigt.

Eine weitere Besonderheit besteht darin, daß einige dieser Befestigungselemente (z.B. Metallreißverschluß oder Metalldruckknopf) gleichzeitig zur elektrischen Stromleitung herangezogen werden können und somit die el. Verbindung zur Elektrode darstellen. Der Stecker ist in diesem Falle nicht notwendig. Von dem Verbindungselement muß ein Kabel weiter zur Elektrode führen. Dies erfolgt durch eine Lötverbindung beim Druckknopf Häkchen etc. oder Preßsitzverbindung zwischen einem Lötstützpunkt oder einer Crimpfahne und einer kleinen Bohrung ihn Zippkörper. Der Einsatz einer Mikroschraube an der das Kabel angelötet wird, ist ebenso möglich. Der Stoffkörper des Zippverschlusses kann auch mit Hilfe eines Leitsilikonüberzuges o.ä. bzw. durch Einweben von leitenden Metal- oder Kohlefäden ausreichend leitend gemacht werden. (Für Biosignalmessungen kann der ohmsche Widerstand der Verbindung etwas größer sein.)

Die Befestigung der Elektrode auf der Stofflasche erfolgt mittels einer Klebeverbindung oder mit einer Stoffnaht. Die Verwendung eines Heißklebers hat den Vorteil, daß die Verbindung wieder gelöst und die Trägerlasche wieder verwendet werden kann. Dazu wird ein feiner Raspel aus weichem Heißkieber auf den Elektrodenrücken gebracht und die Stofflasche aufgebügelt. Diese Verbindung ist durch Erhitzen wieder lösbar. Da der vom Heißkleber durchtänkte Stoff optisch nicht schön ist, muß ein entsprechender Fertigungsschritt eingehalten werden: Da die Elektrodenlasche produktionsbedingt zweiwandig ist, wird nur die untere Hälfe zum Verkleben der Elektrode verwendet. Um den oberen Stoffteil sauber zu halten, wird vor dem Aufbügeln eine dünne Metallplatte oder eine etwas stärkere Metalfolie, die die Wärme weiterleitet in die Lasche eingeführt und anschließend wieder herausgezogen (Folie kann drinnen bleiben). Das Lösen der Elektrode geschieht in der selben Weise.

Verwendbare Elektrodentypen:

Es können alle handelsüblichen Elektroden verwendet werden.

Es können auch Elektroden zum Einsatz kommen, die selbständig nicht oder nur eingeschränkt an der Hautoberfläche haften. Das können Elektrodentypen sein, die selbst in einer schwammartigen Struktur Kontaktgel enthalten (z.B. übliche EKG-Elektroden), oder auch Trockenelektroden, bei denen eigenes Kontaktgel auf die Haut oder Elektrode aufgetragen wird. Bei einer derartigen Anwendung wird entweder ein dehnbares Band mit z.B Klettverschluß um den jeweiligen Körperteil gelegt oder im Bekleidungselement eine entsprechende Dehnungselemente (Gummizug etc.) eingenäht, welches durch das Schließen der Laschen die notwendige Spannung für die Fixierung der Elektroden gewährt.

Es müssen nicht alle im Bekleidungsteil enthaltenen Elektroden verwendet werden. Die nicht verwendeten Elektroden stellen im eingepackten Zustand keinen Beeinträchtigung der Person oder des Stimulations bzw. Meßvorganges dar, da an dieser Körperstelle nur Stoff mit der Haut in Berührung kommt. Auch kann sich an dieser Stelle das Bekleidungsteil relativ zur Haut verschieben. Das ist von Vorteil, wenn sich der Patient 4

Claims (12)

1. AT 404 797 B bzw. Versuchsperson in Bewegung befindet z.B. im Sport. Anwendungsmöglichkeiten: Neben der Elektrostimulation und der EMG-Messung ist mit dieser Vorrichtung auch die Messungen anderer bioelektrischer Signale wie z.B. EKG, Vektor-EKG, EOG (Elektrookulogramm) oder EEG (Elektroenzephalogramm) möglich. Es werden dazu die verschiedensten Bekleidungsteile wie Westen, Hauben oder Stirnbänder etc. (siehe oben) adaptiert. Generell sind alle Techniken möglich, die Elektroden verwenden. Darunter fällt auch die Messung von Gewebeimpedanzverläufen (verwendet z.B. bei Biofeedback). Durch die vorgestellte Erfindung erweitern sich die Möglichkeiten z.B. in der Schmerztherapie (z.B Wärmebehandlung bei Verkühlungen oder Zerrungen etc.) beachtlich, da zusammen mit geeigneten, batteriebetriebenen Stimulationsgeräten die Therapie ortsungebunden ist und auch von relativ ungeschulten Patienten daheim und unterwegs angewendet werden kann. So können z.B. spezielle Westen gegen Nacken und Kreuzschmerzen zu Anwendung kommen. Die Adaption der verschiedenen Bekleidungsgegenstände erfolgt entsprechend der Problemzone am Körper. Patentansprüche 1. Elektredenbefestigung an Bekleidungsgegenständen zur Anwendung und Aufbewahrung von mehrfach verwendbaren Elektroden (5) für Elektrostimulation, Messung von Gewebeimpedanzen und Messung von bioelektrischer Potentiale an der Körperoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode-(n) (5) auf einer Lasche (4) befestigt ist (sind), die ihrerseits am Rand einer Fensteröffnung (2, 8) im Bekleidungsgegenstand fest oder lösbar befestigt ist, wobei an einem anderen Fensterrand eine zweite Lasche (7) mit einer Elektrodenaufbewahrungsfolie (6) angebracht ist, die im Falle der Anwendung der Elektrode als Schutzklappe über der Elektrodenklappe geschlossen ist (Abb.2.5), und im Falle der Nichtanwendung zur Aufnahme der Klebeelektrode dient (Abb.2.1), sodaß bei der Aufbewahrung sowie beim An- und Ablegen des Bekleidungsgegenstandes die Klebeschicht der Elektroden geschützt ist und während der Verwendung ein Schutz der Elektroden und Elektrodenkabel (12), die nicht sichtbar in Stoffkanälen (11) im Bekleidungsgegenstand geführt werden, gegeben ist.
2. 2. Elektrodenbefestigung an Bekleidungsgegenständen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand des Fensters (8) zur Erhöhung der Formstabilität mit einer Versteifung (9) ausgestattet ist, wie beispielsweise Federstahlblech, Federstahldraht, sonstige Bleche, Leder, Kunststoff oder mehrere Stofflagen.
3. 3. Elektrodenbefestigung an Bekleidungsgegenständen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer Elektrodenhose die elektrischen Kabel in einem Stoffkanal (11) geführt werden, der sich entlang der äußeren Seitennaht erstreckt.
4. 4. Elektrodenbefestigung an Bekleidungsgegenständen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß der Stoffkanal mit einem einfachen oder doppelten Reißverschluß längs des «anales zur einfachen Assemblierung versehen ist.
5. 5. Elektrodenbefestigung an Bekleidungsgegenständen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1*4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kabel in Stoffbahnen zu einem zentralen Kabelauslaß führen, um ein Verwirren der Kabel zu verhindern.
6. 6. Elektrodenbefestigung an Bekleidungsgegenständen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden laschen austauschbar geführt sind, wobei diese beispielsweise mittels eines Zippverschlusses, Klettverrsehlusses, mittels Druckknöpfe, Häkchen, Schnappverschlüssen oder Klemmleisten befestigbar sind.
7. 7. Elektrodenbefestigung an Bekleidungsgegenständen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß die metallischen Befestigungselemente wie Metallreißverschluß oder Metalldruckknopf gleichzeitig zur elektrischen Stromleitung verwendet werden können.
8. 8. Elektrodenbefestigung an Bekleidungsgegenständen nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenkabel mit einem Stecker versehen sind. 5 AT 404 797 B
9. 9. Elektrodenbefestigung an Bekleidungsgegenständen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenlaschen und Elektrodenschutzlaschen eine Zwischenschicht aus einer Folie aus Metall oder Kunststoff beinhalten, um bei einer Verklebung von Stoff und Elektroden bzw. Elektrodenschutzfolie die sichtbare Stoffseite frei von Klebematerialien zu.halten.
10. 10. Elektrodenbefestigung an Bekleidungsgegenständen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Elektrodenlasche zwei Elektroden für eine bipolare Messung plaziert sind.
11. 11. Elektrodenbefestigung an Bekleidungsgegenständen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Elektrodenlasche zwei oder mehrere Elektroden für Stimulation und Messung plaziert sind.
12. 12. Elektrodenbefestigung an Bekleidungsgegenständen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenlaschen auch zur Befestigung von Sensoren zur Messung anderer physiologischer und physikalischer Größen wie beispielsweise der Temperatur herangezogen werden können. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 6