CN107427252A - 测量信号放大器和用于测量信号放大器的能量供应的方法 - Google Patents

Abstract

用于对EMG传感器信号（E）进行放大的测量信号放大器（1）具有：用于接收EMG传感器信号（E）的传感器接口（2）；至少一个用于接收电能信号以及用于传输处理信号（V）的设备接口（3）；以电的方式可充电的储能器（4）；以及至少一个计算单元（5）。所述计算单元（5）被构造为从EMG传感器信号（E）中推导出处理信号（V）并且根据由传感器接口（2）接收的EMG传感器信号（E）监控借助于电能信号对储能器（4）的充电。

Description

测量信号放大器和用于测量信号放大器的能量供应的方法

技术领域

本发明涉及一种用于对EMG传感器信号进行放大的测量信号放大器、一种具有根据本发明的测量信号放大器的医疗系统以及一种用于运行测量信号放大器的方法。

背景技术

在医疗电诊断学中例如在肌电图（EMG）的范围内测量肌肉的电活动，以便由此获得关于神经细胞以及肌肉细胞的健康状态的信息。在运动医学中，在生物力学领域中，确定肌肉的力与在肌肉的活动期间所测量的电信号的频率或幅度之间的关联，以便由此例如改善运动员的运动。

肌肉细胞的要测量的膜电位在肌肉细胞的内部比从外部小大约70mV。在肌肉活动的情况下，进行膜电位的持续大约1ms的局部反转，所述局部反转可以用测量技术来检测。为了从这些测量结果生成可显示的信号，使用测量信号放大器、诸如生物电位放大器。对电位进行放大的测量信号放大器也被称为电差分放大器。

放大测量信号的问题是共模抑制，其也被称为“Common-Mode Rejection Ratio”（共模抑制比，CMRR）。共模抑制表示这样的测量信号放大器的输出电压在两个输入电压同时改变相同数值时的改变。在理想的测量信号放大器的情况下，输出电压在这种情况下保持恒定，因为该输出电压仅仅依赖于两个输入电压之差。实际的测量信号放大器在这种情况下具有输出电压的变化。共模抑制越差，测量信号放大器的输出电压的变化就越大。

高级的测量信号放大器为了改善共模抑制而具有电储能器，该电储能器例如被构造为可再充电电池或电容器。储能器的充电引起共模抑制在充电过程的持续时间内明显恶化，使得测量信号放大器在该时间间隔期间提供具有较大信号不精确性的测量结果。

从US 2011/0240021 A1已知一种用于对生物信号进行放大的测量信号放大器，该测量信号放大器为了改善共模抑制而具有多个分别拥有储能器的模块，所述储能器可以彼此去耦地交替地被再充电。具有被充电的储能器的模块因此可以被用于对测量信号进行放大，而其它模块的储能器被充电。以这种方式，在被去耦的储能器的充电过程期间，在测量信号放大器与治疗设备、诸如监视器、呼吸设备或麻醉设备之间也不存电流连接。这样的测量信号的放大器具有缺点：为了对测量信号进行放大，需要多个模块。这导致提高的空间需求、制造成本的升高以及寄生电容的提高。

在替代的解决方案中，代替储能器，测量信号放大器具有供电线路，以便给测量信号放大器供应电流。这样的测量信号放大器要求使用被布置在测量信号放大器附近的直流电压转换器（DC-DC转换器），该直流电压转换器将第一高度的直流电压转换成第二高度的直流电压。这样的直流电压转换器通常具有相对差的为大约35%的效率，并且因此除了提高的能耗以外引起提高的发热。尤其是在直接布置在病人处的测量信号放大器的情况下，所述热可能导致不适以及病人的皮肤损伤。

发明内容

从现有技术出发，本发明所基于的任务是，提供一种测量信号放大器、一种具有测量信号放大器的医疗系统以及一种用于运行测量信号放大器的方法，其至少部分地不具有所述缺点。因此，本发明的任务是，提供一种测量信号放大器，该测量信号放大器可以相对低成本地来制造，具有紧凑的结构空间、改善的共模抑制并且因此可靠地对测量信号进行放大。此外，本发明的任务是，提供一种用于运行测量信号放大器的方法，该方法在可靠地对测量信号进行放大的情况下保证测量信号放大器的充足的能量供应。

前述任务通过具有专利权利要求1的特征的测量信号放大器、具有专利权利要求8的特征的医疗系统以及具有专利权利要求10的特征的方法来解决。本发明的另外的特征和细节从另外的专利权利要求、说明书以及附图中得出。在此，结合本发明的测量信号放大器或医疗系统所公开的特征也适用于所公开的本发明方法，并且反之亦然。

因此，该任务通过一种用于对EMG传感器信号进行放大的测量信号放大器来解决，该测量信号放大器具有：用于接收EMG传感器信号的传感器接口；至少一个用于接收电能信号以及用于传输处理信号的设备接口；以电的方式可充电的储能器；以及至少一个计算单元。该计算单元被构造为从EMG传感器信号推导出处理信号以及根据由传感器接口接收的EMG传感器信号来监控借助于电能信号对储能器的充电。

EMG传感器信号是肌电图的测量参数，并且通过测量病人的电肌肉活动而生成。在有节奏的或周期性的肌肉活动的情况下，诸如在心肌的情况下，EMG传感器信号至少基本上具有周期性、即重复特性。这实现将EMG传感器信号划分成诊断相关和诊断不相关的片段。通过选除（Ausblenden）诊断不相关的片段，因此基本上不负面地影响肌电图的诊断结果。

传感器接口被构造用于接收EMG传感器信号，并且为此例如具有用于EMG传感器的相应连接插口。

设备接口被构造为接收电能信号、诸如能量源的能量信号。因此，通过设备接口保证测量信号放大器的供电。设备接口优选地被构造为间歇性地接收能量信号。此外，设备接口被构造为将从EMG传感器信号中推导出的处理信号例如传输给治疗设备和/或显示单元。

储能器优选地被构造为尺寸优化的。因此，储能器优选地具有如必需的那样大的、但尽可能小的容量，以便因此实现测量信号放大器的尽可能小的结构尺寸。

计算单元被构造为从EMG传感器信号中推导出处理信号。处理信号优选地是对EMG传感器信号的用测量技术的放大，以用于提高该EMG传感器信号的可用性或可分析性。计算单元被构造为接收和处理电信号。计算单元此外被构造为根据所接收的EMG传感器信号监控储能器的充电。这优选地通过分析所接收的EMG传感器信号并且在EMG传感器信号的相关区域和EMG传感器信号的不相关区域之间进行区分来进行。计算单元优选地被构造为识别EMG传感器信号的不相关区域并且仅仅在接收到EMG传感器信号的这样的不相关区域的时候才实现储能器的充电。

本发明所基于的思想是，测量信号放大器的储能器的充电可以在如下时刻进行，在所述时刻在这样的充电过程期间出现的负面效应是可忽略的，因为所述负面效应对测量信号放大器的输出信号的质量仅仅具有相对小的影响，或者测量信号放大器的输出信号在所述时刻是不需要的。这具有如下优点：测量信号放大器由于相对小的储能器而需要相对小的结构空间，并且因此可以低成本地制造以及可以灵活地使用。此外，通过根据本发明的测量信号放大器保证：用户感兴趣的全部测量结果、即EMG传感器信号的相关区域可以与在类似的电缆连接的应用的情况下相比以被改善的精确性被显示。

此外可以规定：计算单元被构造为在储能器充电期间禁止处理信号的输出。由于储能器的充电优选地仅仅或基本上在接收EMG传感器信号的对于诊断来说不相关的区域期间进行，因此对这样的不相关的EMG传感器信号的抑制具有如下优点：明显更少的有错误的EMG传感器信号被传输。此外，储能器的充电可能引起EMG传感器信号的掺假，使得这样的信号总归不能用于另外的分析。

优选地可以规定：储能器具有电容器。这样的储能器可以快速地被充电，并且被构造用于存储充足的电荷，以便保证对相关的EMG传感器信号的可靠的测量信号放大直到下一充电过程为止。此外，电容器优选地被构造为节省重量以及空间的。

进一步优选地，电容器被构造为金帽电容器（Gold Cap Kondensator）。这样的电容器可以特别快地被充电，并且被构造用于存储充足的电荷，以便保证对相关的EMG传感器信号的可靠的测量信号放大直到下一充电过程为止。此外，金帽电容器是特别节省重量以及空间的。

优选地可以规定：计算单元进一步被构造为基于所接收的EMG传感器信号确定第一时间段，在该第一时间段中EMG传感器信号具有QRS复合波的心脏信号分量，以及监控储能器的充电，使得储能器在第一时间段期间被充电。QRS复合波是EMG传感器信号的对于诊断来说不相关的区域，并且由于确定特性而可以容易地由计算单元通过分析EMG传感器信号来识别。因此，储能器的充电对所接收的EMG传感器信号的影响在QRS复合波的时刻是不显著的。这具有如下优点：不具有QRS复合波的相关的EMG传感器信号不由于充电过程而被掺假。因此保证处理信号的更高质量。

此外优选地可以规定：计算单元被构造为在第一时间段期间禁止处理信号的输出。因此，计算单元被构造为在接收QRS复合波期间或在充电过程期间不输出处理信号。这具有如下优点：因此没有尤其是基于由于充电过程而被掺假的EMG传感器信号的不相关的处理信号被输出。

在根据本发明的测量信号放大器的一种特别优选的设计方案中可以规定：计算单元被构造为基于所接收的EMG传感器信号确定第二时间段，在该第二时间段中EMG传感器信号不具有QRS复合波的心脏信号分量，以及监控储能器的充电，使得储能器在第二时间段期间不被充电。不具有QRS复合波的心脏信号分量的EMG传感器信号至少基本上是相关的EMG传感器信号。因此，以有利的方式确保相关的EMG传感器信号不由于储能器的充电而被掺假。因此，以有利的方式改善测量信号放大器的可靠性和精确性。

根据本发明的第二方面，该任务通过一种医疗系统来解决，该医疗系统具有至少一个治疗设备和至少一个用于生成EMG传感器信号的EMG传感器以及根据本发明的测量信号放大器。该医疗系统具有如下优点：测量信号放大器由于小的储能器而需要相对小的结构空间，并且因此可以低成本地制造以及可以灵活地使用。此外，通过根据本发明的医疗系统保证：用户感兴趣的全部测量结果、即EMG传感器信号的相关区域可以与在类似的电缆连接的应用的情况下相比以被改善的精确性被显示。

医疗系统优选地具有供电单元，所述供电单元被构造用于给测量信号放大器的储能器间歇性地供应电能。在此，供电单元优选地可以由计算单元来控制。这具有如下优点：利用简单装置来确保储能器的最优充电，而不负面地影响相关的EMG传感器信号。

此外，根据本发明，该任务通过一种用于运行用于对EMG传感器信号进行放大的测量信号放大器的方法来解决，该方法具有下列步骤：

- 接收EMG传感器信号，

- 确定第一时间段，在该第一时间段中EMG传感器信号具有QRS复合波的心脏信号分量，

- 在第一时间段之内利用电能对测量信号放大器的储能器充电，

- 确定第二时间段，在该第二时间段中EMG传感器信号不具有QRS复合波的心脏信号分量，以及

- 在第二时间段期间禁止储能器（4）的充电。

该方法具有如下优点：用户感兴趣的全部测量结果、即EMG传感器信号的相关区域可以与在类似的电缆连接的应用的情况下相比以被改善的精确性被显示。此外，储能器的充电仅仅在接收到不相关的EMG传感器信号的时刻进行。

储能器的充电优选地已经在第一时间段的结束区域之内被禁止。这具有如下优点：防止例如残余充电电流对相关的EMG传感器信号的可能的影响。由此进一步改善从相关的EMG传感器信号中推导出的处理信号的质量。

特别优选地，测量信号放大器在第一时间段期间与供电单元电流耦合，并且在第二时间段期间与供电单元电流去耦。电流去耦具有如下优点：与测量信号放大器电流耦合的供电单元对相关的EMG传感器信号的负面影响因此被防止。

附图说明

随后根据在附图中所示出的实施例进一步解释本发明。分别示意性地示出：

图1根据本发明的测量信号放大器的一种实施方式的构造；

图2关于储能器的充电周期的EMG/EKG图表；

图3用于减小寄生电容的第一电路装置；以及

图4用于减小寄生电容的第二电路装置。

具体实施方式

根据本发明的测量信号放大器1的在图1中在虚线之内所描绘的实施方式具有中央计算单元5、传感器接口2、设备接口3以及储能器4。通过传感器接口2，EMG传感器信号E（参看图2）可以被引入到测量信号放大器1中并且被引导到计算单元5。计算单元5被构造为从EMG传感器信号E中生成处理信号V（未示出）并且通过设备接口3转发该处理信号，例如转发给治疗设备和/或显示装置。设备接口3进一步被构造为接收用于对储能器4进行充电的能量信号。储能器4例如被构造为电容器并且给计算单元5提供电流。计算单元5进一步被构造为根据所接收的EMG传感器信号E来监控储能器4的充电。计算单元5被构造为在第一时间段T1（参看图2）之内实现储能器的充电并且在第二时间段T2（参看图2）之内禁止储能器的充电。

在图2中，第一图表I示出肌电图信号（EMG信号），所述肌电图信号被心电图伪影（EKG伪影）所干扰。该图表示出两个被称为EKG区域7的第一时间段T1，在所述第一时间段中EMG信号与相对强的EKG伪影叠加；以及被布置在所述第一时间段之间的被称为EMG区域8的第二时间段T2，该第二时间段仅仅具有EMG信号而不具有EKG伪影。在EKG区域7中所测量的信号由于EKG伪影而不能被用于确定EMG信号，并且因此通常被选除。因此EKG区域7具有不相关的EMG传感器信号E，并且EMG区域8具有相关的EMG传感器信号E。

如从图表II中可以看出，EKG区域7的第一时间段T1具有拥有充电电流强度9的充电电流，使得储能器4在该第一时间段T1期间被充电。在EMG区域8的第二时间段T2期间，储能器4与外部电源去耦，使得EMG区域8不具有充电电流。

在图3中示意性地示出了用于减小寄生电容的第一电路装置。第一电路装置尤其适于切换储能器4的供电。第一电路装置在正支路中具有P沟道FET 10（“Field EffectTransistor（场效应晶体管）”）并且在负支路中具有拥有电阻12的N沟道FET 11。针对控制电压对应于供电电压的情况，P沟道FET 10将要切换的线路、诸如在储能器4与能量源之间的馈电线路（Stromzufuhrleitung）去耦。N沟道FET 11相应地起作用。该第一电路装置的P沟道 FET 10也可以被用于切换信号线路、诸如设备接口3以用于输出处理信号V。为了进一步最小化寄生电容，P沟道FET 10和N沟道FET 11优选地具有漏极到源极的小耦合电容。

在图4中示意性地示出了用于减小寄生电容的第二电路装置。第二电路装置尤其适于切换信号线路、诸如设备接口3以用于输出处理信号V。在该实施方式中，三个P沟道FET10串联，并且通过由电阻12和二极管13构成的装置彼此耦合。通过P沟道FET 10的串联来减小所得到的电容。具有N沟道FET 11的这样的电路同样导致所得到的电容的减小，并且因此尤其适于切换负的供电电压。

通过电阻12实现：在不存在控制电压的情况下栅极与源极之间的电压分别为零，并且P沟道FET 10以及N沟道FET 11中断线路。在此，二极管13将栅极与控制电压去耦。通过减小控制电压，栅极通过二极管13被置于低电位并且因此将导通。在此，二极管13优选地具有尽可能小的电容。第一电路装置或第二电路装置的P沟道FET 10以及N沟道FET 11优选地被构造为MOSFET（“Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金属氧化物半导体场效应晶体管）”）。

附图标记列表

1 测量信号放大器

2 传感器接口

3 设备接口

4 储能器

5 计算单元

6 开关

7 EKG区域

8 EMG区域

9 充电电流强度

10 P沟道FET

11 N沟道FET

12 电阻

13 二极管

E EMG传感器信号

T1 第一时间段

T2 第二时间段

V 处理信号

I 第一图表

II 第二图表

Claims (9)

1.一种用于对EMG传感器信号（E）进行放大的测量信号放大器（1），具有：用于接收所述EMG传感器信号（E）的传感器接口（2）；至少一个用于接收电能信号以及用于传输处理信号V的设备接口（3）；以电的方式可充电的储能器（4）；以及至少一个计算单元（5），其中所述计算单元（5）被构造为从所述EMG传感器信号（E）中推导出处理信号V，

其特征在于，所述计算单元（5）被构造为根据由所述传感器接口（2）接收的EMG传感器信号（E）监控借助于所述电能信号对所述储能器（4）的充电，其中所述计算单元（5）被构造为基于所接收的EMG传感器信号（E）确定第一时间段（T1），在所述第一时间段中所述EMG传感器信号（E）具有QRS复合波Q的心脏信号分量，以及监控所述储能器（4）的充电，使得所述储能器（4）在所述第一时间段（T1）期间被充电，并且其中所述计算单元（5）被构造为基于所接收的EMG传感器信号（E）确定第二时间段（T2），在所述第二时间段中所述EMG传感器信号（E）不具有QRS复合波Q的心脏信号分量，以及监控所述储能器（4）的充电，使得所述储能器（4）在所述第二时间段（T2）期间不被充电。

2.根据权利要求1所述的测量信号放大器（1），

其特征在于，所述计算单元（5）被构造为在所述储能器（4）的充电期间禁止所述处理信号V的输出。

3.根据权利要求1或2所述的测量信号放大器（1），

其特征在于，所述储能器（4）具有电容器。

4.根据权利要求1所述的测量信号放大器（1），

其特征在于，所述电容器是金帽电容器。

5.一种医疗系统，具有至少一个治疗设备和至少一个用于生成EMG传感器信号的EMG传感器，

其中所述医疗系统具有根据前述权利要求之一所述的测量信号放大器（1）。

6.根据权利要求5所述的医疗系统，

其特征在于，所述医疗系统具有供电单元，所述供电单元被构造用于给所述测量信号放大器（1）的储能器（4）间歇性地供应电能。

7.一种用于运行用于对EMG传感器信号（E）进行放大的测量信号放大器（1）的方法，具有下列步骤：

- 接收EMG传感器信号（E），

- 确定第一时间段（T1），在所述第一时间段中所述EMG传感器信号（E）具有QRS复合波Q的心脏信号分量，

- 在所述第一时间段（T1）之内利用电能对所述测量信号放大器（1）的储能器（4）充电，

- 确定第二时间段（T2），在所述第二时间段中所述EMG传感器信号（E）不具有QRS复合波Q的心脏信号分量，以及

- 在所述第二时间段（T2）期间禁止所述储能器（4）的充电。

8.根据权利要求7所述的方法，

其特征在于，所述储能器（4）的充电已经在所述第一时间段（T1）的结束区域之内被禁止。

9.根据权利要求7或8所述的方法，

其特征在于，所述测量信号放大器（1）在所述第一时间段（T1）期间与供电单元电流耦合，并且在所述第二时间段（T2）期间与所述供电单元电流去耦。