DE10138799A1

DE10138799A1 - Vorrichtung zur Signalaufbereitung für medizinische Sensoren

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Publication number: DE10138799A1
Application number: DE10138799A
Authority: DE
Inventors: Michael N Rosenheimer
Original assignee: MIPM Mammendorfer Institut fur Physik und Medizin GmbH
Current assignee: Rosenheimer Michael N 82294 Oberschweinbach De
Priority date: 2001-08-13
Filing date: 2001-08-13
Publication date: 2003-03-13
Anticipated expiration: 2021-08-14
Also published as: US20030045781A1; GB0218403D0; GB2381870A; DE10138799B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbereitung der Signale von medizinischen Sensoren zur Anzeige bzw. Auswertung in Datenmonitoren. Die Sensorsignale werden zunächst mittels einer aktiven Schaltung skaliert bzw. korrigiert und bedarfsweise gespeichert. Die korrigierten Signale werden dann mittels einer Brückennachbildung an den Datenmonitor signalisiert bzw. einer Korrekturschaltung zugeführt, welche durch Einspeisung zusätzlicher Spannungen bzw. Ströme oder auch die Anschaltung weiterer Impedanzen die Signale des Sensors selbst korrigiert.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Signalen, welche von medizinischen Sensoren stammen, so dass diese mit standardisierten Datenmonitoren angezeigt bzw. ausgewertet werden können.
Derartige Sensoren werden außerhalb des Körpers oder im Körper implantiert beispielsweise zur Druckmessung, Temperaturmessung oder auch zur Messung der Sauerstoffsättigung eingesetzt.

Stand der Technik

Medizinische Sensoren und insbesondere im menschlichen und auch im tierischen Körper implantierbare Sensoren müssen vor ihrem Einsatz vollständig sterilisiert werden. Dieses stellt hohe Anforderungen an die Sensoren selbst und an alle fest mit diesen verbundenen Teile wie beispielsweise Anschlußkabel oder auch Stecker. Zudem müssen diese Sensoren besonders einfach und auch fehlerfrei handhabbar sein, da diese nach der Implantation nicht mehr zugänglich sind. Auch muß die Handhabung schnell und unter Zeitdruck gut durchführbar sein, da diese Sensoren oft an Notfallpatienten oder zumindest während Operationen, bei denen eine begrenzte Zeit zur Verfügung steht, eingesetzt werden.
Die Anzeige der Sensorsignale erfolgt meist mit sogenannten Patientenmonitoren - nachfolgend kurz Monitore genannt. Typischerweise enthält ein solcher Monitor die entsprechenden Mittel zur Signalaufbereitung und -Verstärkung sowie zur Anzeige der Sensorsignale.
Der typische Aufbau und das zusammenwirken einer Sensor-Monitor Anordnung wird hier beispielhaft an einem Standard-Drucksensor dargestellt. Selbstverständlich sind Temperatursensoren oder auch andere Sensoren analog aufgebaut.
Der typische Drucksensor besteht beispielsweise aus einem Halbleitersensor, welcher unter Druckbeaufschlagung seinen Widerstand ändert. Um hier eine bessere Entkopplung von störenden Einflußgrößen, insbesondere eine bessere Temperaturstabilität zu erreichen, werden derartige Sensoren in Halbbrücken- bzw. Vollbrücken-Schaltung (Wheatstone- Brücken) geschaltet. Diese Brücken benötigen eine Spannungsversorgung zur Speisung und liefern dann ein Ausgangssignal, welches proportional dem Produkt aus der Meßgröße und der Versorgungsspannung ist. Derartige Drucksensoren lassen sich so klein ausführen, daß sie problemlos in den Körper implantierbar sind. Zur Verbindung mit der Außenwelt besitzen diese Sensoren meist eine dünne Anschlußleitung, welche zu einem Anschlußstecker führt. Sensor, Anschlußleitung und Anschlußstecker müssen vor der Implantation vollständig sterilisiert werden. Gängige Verfahren zur Sterilisation sind Gassterilisation (z. B. ETO), Plasmasterilisation (z. B. Wasserstoffperoxid) und Autoklavierung (Wasserdampf unter hohem Druck). Gerade letzteres Verfahren ist in den Kliniken weit verbreitet, da es bei einfacher Handhabung einen hohen Grad an Sterilität gewährleistet. Hierbei wird der Sensor mit hohem Druck und hohen Temperaturen beaufschlagt. Dieses Verfahren stellt hohe Anforderungen an die verwendeten Materialien.
Der Monitor wird nun über ein Anschlusskabel, welches häufig eine Anpassung auf die sensorspezifische Steckeranschlußbelegung vornimmt, mit dem Sensor verbunden. Im Monitor ist eine Speisung der Brückenschaltungen des Sensors vorgesehen. Derartige Speisespannungen liegen meist in einer Größenordnung von ±5 Volt bis ±10 Volt, so daß auch entsprechend hohe Sensorausgangssignale vom Sensor abgegeben werden können. Hohe Signalamplituden sind vorteilhaft, da diese die Störfestigkeit verbessern. Zudem sind unterschiedliche Speisesignalformen bekannt. So versorgt ein Teil der Monitore die Sensoren mit kontinuierlicher Gleichspannung. Dies ermöglicht die einfachste Auswertung, da ein kontinuierliches Sensorsignal vorhanden ist. Andere Sensoren verwenden getaktete Versorgungen, da diese einerseits die Stromaufnahme des Monitors selbst reduzieren, was beispielsweise bei Batteriebetrieb wichtig ist und andererseits die Leistungsaufnahme des Sensors verringern, so daß dessen Temperaturdrift verringert wird. Weiterhin sind Monitore bekannt, welche die Sensoren mit einer Wechselspannung versorgen.
Grundsätzlich können eine Vielzahl von Sensoren mit diesen Monitoren kombiniert werden, da die in den Sensoren eingesetzten Brückenschaltungen als passive Komponenten unabhängig von der Speisespannung sind. Zu exakten Anpassung ist oft nur eine Anpassung der Steckeranschlußbelegung und in wenigen Fällen eine zusätzliche Widerstandsbeschaltung notwendig. Die wichtigste Voraussetzung für die Kompatibilität ist allerdings eine passende Empfindlichkeit. So hat sich als Standard bei den Patientenmonitoren in der Medizintechnik für Drucksensoren beispielsweise eine Empfindlichkeit von 5 µV/V/mmHg durchgesetzt. Um eine solche Empfindlichkeit zu erreichen, können beispielsweise spezielle resistive Sensoren, die mit einer Versorgungsspannung von ca. 7,5 bis 10 Volt betrieben werden eingesetzt werden. Diese Sensoren sind allerdings relativ teuer. Werden wesentlich kostengünstigere Sensoren eingesetzt, welche nur mit einer maximalen Versorgungsspannung von ca. 1,5 Volt betrieben werden können, so ergibt sich eine entsprechend niedrigere Empfindlichkeit. Daher ist eine Anpassung an die üblichen Monitore nicht mehr möglich.
Vor dem Einsatz des Drucksensors ist ein Nullpunktabgleich bzw. Nullpunktspeicherung notwendig, da der Monitor einen festgelegten Bezugspunkt benötigt. Gerade bei implantierbaren Sensoren muss dieser Nullpunktabgleich meist vor der Implantation erfolgen, da ein implantierter Sensor nicht mehr zugänglich ist. Ein Drucksensor, welcher auch noch nach der Implantation abgeglichen werden kann, ist in dem deutschen Gebrauchsmuster G 94 20 576.0 beschrieben. Hier wird die eigentliche Sensormembran zum Nullpunktabgleich über ein pneumatisches System vom Umgebungsdruck entlastet. Kann dieses pneumatische System aus Platzgründen nicht eingesetzt werden, oder muss ein anderer Sensortyp wie beispielsweise ein Temperatursensor eingesetzt werden, so ist der Nullpunktabgleich vor der Implantation unentbehrlich.
Zum Nullpunktabgleich wird ein Sensor an den entsprechenden Monitor angeschlossen und am Sensor selbst eine Nullpunktsituation hergestellt. Eine solche Nullpunktsituation ist beispielsweise eine definierte Temperatur bei einem Temperatursensor oder der Umgebungsluftdruck bei einem Drucksensor. Dann wird im Monitor eine Messung dieser Nullpunktsituation durchgeführt und der Messwert als Nullpunkt gespeichert. Danach wird die Implantation durchgeführt. Zur weiteren Verwendung muss der Sensor ausschließlich an den Monitor angeschlossen bleiben, mit dem der Nullpunktabgleich durchgeführt wurde. Mit anderen Monitoren, welche die Nullpunktinformationen nicht in ihrem Speicher halten, ist keine sinnvolle Messung möglich.
Ein weiteres Problem beim Einsatz implantierbarer Sensoren ist die Funktionskontrolle bzw. Kalibrierung im implantierten Zustand. Abhilfe schafft hier beispielsweise eine in der US-Patentschrift 4,760,730 veröffentlichte Schaltung. Hierbei wird mittels einer Kalibriereinheit, welche zwischen Monitor und Sensor geschaltet wird, ein bestimmtes Signal an den Monitor abgegeben. Der Sensor selbst wird aber nicht überprüft. Damit ist der Nutzwert dieser Kalibriereinheit äußerst fraglich.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Aufbereitung der Signale von medizinischen Sensoren anzugeben, mit deren Hilfe auch kostengünstigere Sensoren anderer Empfindlichkeit, als der standardisierten Empfindlichkeit eingesetzt werden können. Weiterhin sollen auch während des Einsatzes dieser Sensoren, beispielsweise nach der Implantation oder dem Einbringen unter einen Verband bzw. Gipsverband verschiedene Monitore angeschlossen werden können, wobei mit diesen Monitoren erneute Nullpunktabgleiche durchgeführt werden können, ohne dass ein Zugang zum Sensor erforderlich wird.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine aktive Meß-Schaltung, welche zur Skalierung bzw. Korrektur der Sensorsignale vorgesehen ist. So wird diese meist aus einem Verstärker bestehen, welcher die geringen Signalamplituden des Sensors auf höhere, leichter zu verarbeitende Amplituden anhebt. Zudem kann mit diesem Verstärker oder einer nachfolgenden Verstärkungsstufe eine Skalierung der Amplituden derart erfolgen, dass sie auf einen standardisierten Wert angehoben wird. Mit diesem Signal wird nun eine Brückennachbildung angesteuert, welche eine Voll- bzw. Halbbrücke nachbildet. Die Werte dieser Brücke werden von einem angeschlossenen Monitor gemessen. Somit simuliert die Brückennachbildung die Eigenschaften eines Sensors, welcher andere Eigenschaften haben kann als der tatsächlich eingesetzte Sensortyp. Wird beispielsweise an Stelle der üblicherweise eingesetzten teuren Drucksensoren ein preiswerter Sensor mit nur 1/10 deren Empfindlichkeit eingesetzt, so kann dies mit einer Verstärkung um den Faktor 10 in der Verstärkungsstufe kompensiert werden. Diese erhöhte Empfindlichkeit wird dann mittels der Brückensimulation an den Monitor signalisiert. Somit ist aus Sicht des Monitors ein Drucksensor mit der standardisierten Empfindlichkeit angeschlossen.
Neben der Skalierung der Sensorwerte ist selbstverständlich auch die Kompensation eines Offsets, eine Temperaturkompensation, wobei beispielsweise Temperaturwerte eines getrennten Temperatursensors mit berücksichtigt werden, oder auch die Kompensation einer nichtlinearen Kennlinie möglich. Weiterhin können auch Sensoren eingesetzt werden, welche nicht als Brückenschaltung beschaltet werden können, da sie beispielsweise unmittelbar eine signalabhängige Ausgangsspannung liefern.
Mit einer solchen erfindungsgemäßen Vorrichtung können nun auch nach der Implantation des Sensors unterschiedliche Monitore an diesen angeschlossen werden. Ein erneuter Nullpunktabgleich ist nicht notwendig, da die Nullpunktkorrektur sowie wahlweise die Skalierung bzw. eine komplexere Korrektur des Meß-Signals durch die erfindungsgemäße Anordnung erfolgt.
Erfindungsgemäß ist weiterhin eine aktive Meß-Schaltung zur Skalierung bzw. Korrektur der Sensorsignale vorgesehen. Diese steuert aber nicht wie im vorhergehenden Fall eine Brückensimulation an, sondern sie beeinflusst die reale Brücke des Sensors durch Zuschaltung weiterer Impedanzen bzw. durch Einspeisung zusätzlicher Spannungen bzw. Ströme. So wird in dieser Ausgestaltung die Messung des Sensors durch den Monitor mittels zusätzlicher Werte korrigiert.
So kann beispielsweise eine Korrektursignal eines Korrekturwertgebers über einen Widerstand an einen oder beide Ausgänge der Brückenschaltung angekoppelt werden. So kann damit durch Addition eines konstanten Wertes ein Offsetfehler korrigiert werden. Durch Addition einer temperaturabhängigen Spannung kann auch eine Temperaturkompensation erfolgen. Weiterhin kann die Addition des Korrekturwertes auch in der Brückenspeisung erfolgen. Da das Brückenausgangssignal proportional zum Produkt aus der Messgröße und der Speisespannung ist, kann hier über die Speisespannung bevorzugt eine Skalierung der Messgröße bzw. Korrektur der Verstärkung erfolgen.
Weiterhin können zu Korrektur der Brücke mittels gesteuerter Widerstände wie beispielsweise FETs die Impedanzen einzelner Brückenzweige korrigiert werden. Im Falle nichtlinearer Brücken kann die Korrektur auch abhängig von aktuellen Messwerten erfolgen. Die Korrekturwerte hierzu können wahlweise aus einem Korrekturspeicher oder mittels einer entsprechenden Korrekturschaltung ermittelt werden.
Weiterhin kann die Kompensation mittels geschalteter Widerstände bzw. Widerstandsnetzwerke, bevorzugt durch Digital-Analog-Wandler erfolgen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfaßt die Brückennachbildung steuerbare Widerstände. Im einfachsten Falle umfassen diese beispielsweise Motorpotentiometer. Wesentlich besser, da schneller und wartungsfrei sind elektronisch steuerbare Widerstände wie beispielsweise Feldeffekttransistoren. Bei diesen ist der Widerstand des Drain-Source-Kanals eine Funktion der Gate-Spannung. Somit wird zur Steuerung des Widerstands diese Spannung beeinflußt. Ebenso sind aber auch komplexere Schaltungen aus mehreren Halbleitern denkbar, die durch Steuerung oder entsprechende Regelung ein Widerstandsverhalten simulieren. Besonders bevorzugt wird ein digital gesteuertes Widerstandnetzwerk eingesetzt. Derartige gesteuerte Widerstandsnetzwerke sind beispielsweise unter dem Begriff "elektronische Potentiometer" auf dem Markt. Besonders bevorzugt ist der Einsatz von Digital-Analog-Wandlern. Derartige Wandler besitzen ein digital gesteuertes Widerstandsnetzwerk, so dass damit auf besonders einfache und kostengünstigere Weise eine Brückenschaltung nachgebildet werden kann.
Eine andere vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung setzt zur Brückennachbildung zumindest einen Multiplizierer ein. Da normale Brückenschaltungen ein Ausgangssignal proportional zum Produkt aus einer Messgrößen und der Brückenspeisespannung liefern, kann diese Multiplikation auch durch einen Multiplizierer nachgebildet werden. Hierzu multipliziert dieser einen aus der Brückenspeisespannungen abgeleiteten Wert mit einem aus dem Sensorsignal abgeleiteten zweiten Wert. Als Multiplizierer können beispielsweise analoge Multiplizierer oder auch digitale Multiplizierer eingesetzt werden. Ein besonderer Fall eines digitalen Multiplizierers ist ein Digital-Analog-Wandler. Allerdings ist hier die Beschaltung geringfügig anders als im vorhergehenden Fall. Im vorhergehenden Fall wird ausschließlich das geschaltete Widerstandsnetzwerk des Digital-Analog- Wandlers eingesetzt. Hierbei fließt der Speisestrom des Monitors durch das Widerstandsnetzwerk. Der Abgriff des Meßwerts erfolgt am Ausgang dieses Widerstandsnetzwerkes. Beim Einsatz als Multiplizierer erfolgt eine Speisung des Widerstandsnetzwerkes des Digital-Analog-Wandlers mittelbar durch die Speisespannung des Monitors. So kann im einfachsten Falle mittels eines Spannungsteilers aus der Speisespannung des Monitors eine Spannung zur Speisung des Widerstandsnetzwerkes abgeleitet werden. Ebenso kann selbstverständlich auch die Speisespannung des Monitors mittels eines Analog-Digital-Wandlers erfaßt, und in einem digitalen Multiplizierer, beispielsweise in einem Microcontroller, mit der Meßgröße multipliziert und schließlich mittels eines Digital-Analog-Wandlers an den Monitor ausgegeben werden. Auf jeden Fall wird in dieser Ausgestaltung der Erfindung der Meßwert nicht als Impedanz bzw. Impedanzverhältnis, sondern als Spannungs- oder Stromwert ausgegeben.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Sensor selbst ebenfalls durch die aktive Schaltung gespeist. Damit ist eine Anpassung an unterschiedliche Speisespannungen der Sensoren möglich. Ist beispielsweise der Monitor für eine Brückenspeisespannung von 10 Volt ausgelegt, so kann er bei direkter Verbindung mit einem Sensor, der für niedrigere Spannungen ausgelegt ist, diesen zerstören. Daher erfolgt in der aktiven Schaltung eine Umsetzung bzw. Anpassung an Spannungswerte, die einen günstigen Betrieb des Sensors ermöglichen.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung enthält mindestens einen Speicher zur Speicherung mindestens eines Nullpunktwertes bzw. zur Speicherung von Skalierungs- bzw. Korrekturwerten. Derartige Speicher können dem Stand der Technik entsprechend als digitale Speicher wie beispielsweise ein nichtflüchtiger EEPROM oder auch als analoge Speicher ausgeführt werden. Die Steuerung des Speichers erfolgt vorzugsweise durch einen Microcontroller.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an beliebiger Stelle zwischen dem Sensor selbst und der Brückennachbildung eine kontaktlose, vorzugsweise telemetrische Verbindung vorgesehen. Eine solche Verbindung kann beispielsweise durch Übertragung der Signale mittels elektromagnetischer Wellen erfolgen. Besonders vorteilhaft ist hier die Übertragung durch Funk- oder auch Infrarotsignale. Solche telemetrische Verbindungen waren nach dem bisherigen Stand der Technik nicht möglich, wenn Sensoren in Brückenschaltung mit den üblichen Monitoren eingesetzt werden sollten.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist eine Steuerung zur Überwachung des Nullpunktabgleichs vorgesehen. Diese überwacht nach dem Einschalten der Versorgungsspannung bzw. dem Einstecken des Sensors die Nullpunktdrift des Sensors. Der Ausgangswert des Sensors wird sich meist asymptotisch an einen Ruhewert annähern. Dieses Annähern wird nun durch die Steuerung überwacht. Beispielsweise kann hierzu die Änderung des Sensorsignals pro Zeiteinheit ausgewertet werden. Unterschreitet dieser Wert einmalig, oder über eine bestimmte Zeitdauer einen Grenzwert, so kann beispielsweise von einem Erreichen des Ruhewerts ausgegangen werden. Erst wenn dieser Ruhewert erreicht wurde wird die Nullpunktabgleich-Funktion freigegeben. Dies verhindert, dass einerseits eine Messung des Nullpunkts bei noch nicht eingeschwungenem Ruhewert vorgenommen wird bzw. eine Nullpunktmessung unter nicht konstanten Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise bei Bewegung eines Drucksensors vorgenommen wird. Ist die Freigabe erfolgt, so kann über ein Startsignal die Nullpunktmessung ausgelöst werden. Ein solches Startsignal kann beispielsweise über den Anschlussstecker durch einen externen Kontakt bzw. eine externe Spannungsquelle oder auch über einen externen Datenstrom, welcher über einen Signalisierungseingang, bzw. die telemetrische Strecke, also durch Funk- oder Infrarotsignale gegeben werden. Ebenso kann das Startsignal auch durch einen Magnetfeldsensor wie Feldplatten oder auch Reed-Kontakte durch die Annäherung bzw. das entfernen eines Magneten gegeben werden. Wahlweise kann das Startsignal auch durch sich ändernde bzw. wechselnde magnetische oder elektrische Felder, welche von entsprechenden Sensoren detektiert werden, erfolgen.
Parallel dazu kann wahlweise ein Zeitfenster für den Nullpunktabgleich vorgegeben werden. So könnte beispielsweise nach dem Erreichen des Ruhewerts die Freigabe für den Nullpunktabgleich nur für eine Zeitdauer von 10 Sekunden aktiviert werden, um irrtümliche Nullpunktabgleiche, welche eine Löschung des vorhergehenden Nullpunktes zufolge haben, auszuschließen.
Durch diese Ausführungsform der Überwachung wird das Sensorsignal selbst überwacht. Damit kann mit relativ hoher Wahrscheinlichkeit eine Fehlfunktion des Sensors erkannt werden. Diese Überwachung erfolgt vorzugsweise mit einem Microcontroller.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein externer Nullpunkt- bzw. Konfigurationsspeicher vorgesehen, welcher drahtgebunden oder auch telemetrisch mit der aktiven Meß-Schaltung kommuniziert. Damit können dann Wahlweise Nullpunktwerte ausgelesen oder gespeichert werden. Ebenso können auch andere Konfigurationswerte wie die Skalierung oder Kennlinien ein- bzw. ausgelesen werden.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist eine Steuereinheit vorhanden, die dem Monitor einen Nullpunktwert signalisiert. Die Anforderungen zur Signalisierung des Nullpunktwertes kann beispielsweise durch die zuvor beschriebenen Signalisierungsmittel oder auch Zeitgesteuert innerhalb eines bestimmten Intervalls nach dem Anschließen des Sensors bzw. dem Einschalten der Versorgungsspannung erfolgen. Diese und weitere in diesem Dokument genannte Steuereinheiten enthalten bevorzugt einen Microcontroller.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Steuereinheit vorhanden, die dem Monitor Kalibrierwerte signalisiert. Die Anforderung zur Signalisierung der Kalibrierwerte kann beispielsweise durch die zuvor beschriebenen Signalisierungsmittel oder auch Zeitgesteuert innerhalb eines bestimmten Intervalls nach dem Anschließen des Sensors bzw. dem Einschalten der Versorgungsspannung erfolgen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Steuereinheit vorhanden, die dem Monitor abwechselnd Nullpunktwerte und Kalibrierwerte signalisiert. Die Anforderung zur Signalisierung dieser Werte kann beispielsweise durch die zuvor beschriebenen Signalisierungsmittel oder auch Zeitgesteuert innerhalb eines bestimmten Intervalls nach dem Anschließen des Sensors bzw. dem Einschalten der Versorgungsspannung erfolgen. Wahlweise kann auch die Signalisierung der Werte unmittelbar nach dem Einschalten der Versorgungsspannungen bzw. dem Anschließen des Sensors so lange erfolgen, bis der Sensor betriebsbereit ist und in einen Ruhezustand eingeschwungen ist. Dadurch wird dem Anwender bzw. dem angeschlossenen Monitor signalisiert, wann der Sensor tatsächlich betriebsbereit ist und Messungen durchgeführt werden können. Durch diese Ausgestaltung der Erfindung wird gegenüber dem Stand der Technik eine wesentlich tiefere und aussagekräftigere Funktionskontrolle der Sensorfunktion ermöglicht, was gerade in der Medizintechnik insbesondere unter Notfallsituationen entscheidende Vorteile mit sich bringt. So erfolgt vorzugsweise die Anzeige der Betriebsbereitschaft erst nach einer vollständigen Funktionsprüfung des Sensors durch die Steuerung. Damit hat der Anwender die Gewissheit, daß nicht nur das Kabel bzw. die Stecker in ordnungsgemäßen Zustand sind, sondern auch der Sensor selbst einwandfrei arbeitet. Daneben können die wechselnden Nullpunktwerte bzw. Kalibrierwerte zur Einstellung bzw. Funktionsprüfung des Monitors verwendet werden.
In einer weiten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Steuereinheit derart vorhanden, dass sie zur Überprüfung der Sensorsignale ausgelegt ist. So können vorzugsweise wichtige Betriebsparameter des Sensors überwacht werden. Solche Parameter sind beispielsweise die Stromaufnahme des Sensors, die Plausibilitätsprüfung der Ausgangswerte des Sensors oder auch die Erfassung zusätzlicher Parameter wie beispielsweise eine Temperaturmessung im Falle eines Drucksensors. Weiterhin ist die Steuereinheit derart ausgelegt dass sie einen Fehlerfall signalisiert. Diese Signalisierung kann wahlweise über eine zusätzliche Anschlussleitung, eine telemetrische Strecke, akustisch oder auch optisch durch zusätzliche Anzeigemittel erfolgen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zur Steuerung bzw. Überwachung ein Microcontroller oder Mikroprozessor eingesetzt. In diesem Microcontroller können dann auch die entsprechenden Funktionen zu Skalierung bzw. zum Nullpunktabgleich sich einfach arithmetische Operationen realisiert werden. Ebenso kann auf einfachste Art und Weise eine Korrekturtabelle zur Korrektur von Nichtlinearitäten der Sensoren angelegt werden, welche die Sensorkorrekturwerte dem Microcontroller zur Verfügung stellt. In einem dem Microcontroller zugeordneten Speicher können zudem eine Vielzahl unterschiedlicher Sensorparameter gespeichert werden. Zu können beispielsweise Korrekturtabellen oder auch Skalierungsfaktoren unterschiedlicher Sensortypen oder auch die individuellen Werte einzelner Sensoren abgelegt werden.

Übersicht über die Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Falle des Einsatzes einer telemetrischen Verbindung.
Fig. 3 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 4 zeigt Zeitdiagramme zur Verdeutlichung der Funktionen der Steuerung.
Fig. 5 zeigt beispielhaft die Realisierung einer Halbbrückennachbildung mit elektronisch steuerbaren Widerständen.
Fig. 6 zeigt beispielhaft die Realisierung einer Vollbrückennachbildung mit elektronisch steuerbaren Widerständen.

Darstellung von Ausführungsbeispielen

Das vereinfachte Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 1 dargestellt. Ein Sensor (6), welcher beispielsweise ein Temperatursensor, ein Drucksensor oder ein Sensor für andere Meßgrößen sein kann, liefert Signale mittels einer Sensoranschlußleitung (5) an eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Signalen (4). Diese Vorrichtung befindet sich meist außerhalb des Körpers, sie kann aber auch in besonderen Ausführungen implantiert werden. Wahlweise kann auch der Sensor selbst in die Vorrichtung zur Aufbereitung von Signalen integriert sein. Die aufbereiteten Signale werden dann mittels eines Verbindungsleitung (3), welches die Anpassung an unterschiedliche Steckersysteme vornimmt und daher auch oft Kompatibilitätskabel genannt wird, an den Monitor (1) zur weiteren Auswertung bzw. Darstellung auf einer Anzeigeeinheit (2) übermittelt.
Der Übersichtlichkeit halber ist hier nur ein einziges Sensor dargestellt. Selbstverständlich können auch mehrere Sensoren angeschlossen werden.
In Fig. 2 ist das vereinfachte Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Falle des Einsatzes einer telemetrischen Verbindung dargestellt. Hier wird wiederum das Signal des Sensors (6) mittels einer optionalen Sensoranschlußleitung (5) an eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Signalen (4) übermittelt. Diese enthält einen Telemetrieadapter (8), welcher vorzugsweise zur Aussendung von den gemessenen Werten, aber auch wahlweise zum Empfang von Steuerbefehlen sowie anderen Daten bzw. zur Aussendung von Kalibrierdaten und anderen Informationen wie beispielsweise Statusinformationen ausgelegt ist. Dieser Telemetrieadapter (8) kommuniziert mit einer telemetrischen Anschlußeinheit (7), welche mittels des Verbindungskabels (3) mit dem Monitor verbunden ist.
Fig. 3 ist beispielhaft der Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aufbereitung von Signalen (4) detaillierter dargestellt. Die Aufbereitung der Signale des Sensors (6) erfolgt mittels einer Sensorsignalaufbereitung (11), welche eine Verstärkung bzw. Korrektur des Sensorsignals vornimmt. Das so verstärkte bzw. korrigierte Sensorsignal wird an eine Brückensimulation (12) weitergeleitet. Diese simuliert einem Monitor, welcher über die Verbindungsleitung (3) angeschlossen ist das Verhalten einer Brückenschaltung, welche die korrigierten Werte des Sensors abgibt. Eine optionale Steuerung (13) beeinflußt wahlweise die Sensorsignalaufbereitung (11), die Brückensimulation (12) und ist wahlweise, bevorzugt zur Signalisierung, oder auch nur zur Speisung mit den Monitor verbunden. Weiterhin ist eine optionale Speiseeinrichtung (14) zur Speisung des Sensors (6) vorgesehen.
In Fig. 4^iv sind beispielhaft drei Zeitdiagramme zur Veranschaulichung der Funktionen der Steuerung dargestellt. In allen drei Diagrammen ist die horizontale Achse die Zeitachse. Die vertikale Achse (21) des obersten Diagramms bezeichnet die Größe des Sensorsignals. Die vertikale Achse (22) des mittleren Diagramms bezeichnet die Größe des Signals, welches über die Brückensimulation an den Monitor übermittelt wird. Schließlich kennzeichnet die vertikale Achse (23) des untersten Diagramms ein digitales Signal zur Freigabe für den Nullpunktabgleich.
Im ausgeschalteten Zustand sind alle Signale vorzugsweise in einen Ruhezustand, beispielsweise auf einen Nullwert. Wird nun die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Zeitpunkt (26) angeschlossen beziehungsweise eingeschaltet, so steigt das Sensorsignal zunächst schnell an und nähert sich asymptotisch einem Ruhewert (24). Die Annäherung innerhalb einer vorgegebenen Grenze an diesen Wert erfolgt zum Zeitpunkt (27). Das Erreichen dieses Wertes wird beispielsweise durch Auswertung der Steigung der Kurve und Erkennung des Unterschreitens einer minimalen Steigung ermittelt. Zwischen diesen beiden Zeitpunkten gibt wahlweise die erfindungsgemäße Vorrichtung an den Monitor wechselnde Signale aus. Diese wechseln zwischen einem niedrigen Zustand, welcher einen Nullwert signalisiert und der Abgabe eines Kalibrierwertes (28) mit einer vorgegebenen Amplitude (25). Die Abgabe dieser Werte endet vorzugsweise gleichzeitig mit dem Erreichen des Grenzwertes des Sensorsignals. Damit wird dieser Zustand dem Monitor bzw. dem Anwender signalisiert. Gleichzeitig wird mit dem Erreichen dieses Grenzwertes ein Freigabesignal für den Nullpunktabgleich abgegeben. Somit kann ab diesem Zeitpunkt ein Nullpunktabgleich durchgeführt werden.
In Fig. 5 ist beispielhaft die Nachbildung einer Halbbrückenschaltung mittels elektronisch steuerbarer Widerstände in Form von der Feldeffekttransistoren angegeben. Die Speisen der Brückennachbildung erfolgt vom Monitor mittels der Anschlüsse (30, 31). Unterschiedliche Impedanzen in den Brückenzweigen werden durch Feldeffekttransistoren (32, 33) nachgebildet. Die Ansteuerung dieser Feldeffekttransistoren erfolgt mittels der Ansteuerschaltungen (36, 37). Die Sollwertvorgabe erfolgt über einen gemeinsamen Anschluß (40). Das Ausgangssignal an den Monitor wird über den Anschluß (41) abgegeben.
In Fig. 6 ist beispielhaft die Nachbildung einer Vollbrückenschaltung mittels elektronisch steuerbarer Widerstände in Form von Feldeffekttransistoren angegeben. Hier gelten die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 5. Es sind hier lediglich vier Feldeffekttransistoren (32, 33, 34, 35), welche von den entsprechenden Ansteuerschaltungen (36, 37, 38, 39) angesteuert werden. Weiterhin werden an den Monitor zwei Ausgangssignale über die Anschlüsse (41, 42) abgegeben.

Claims

1. Vorrichtung zur Aufbereitung von Signalen von medizinischen Sensoren (6) zur Anzeige bzw. Auswertung in einem Datenmonitor (1), welcher für die Auswertung von Signalen aus Voll- bzw. Halbbrückenschaltungen ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mess-Schaltung (11) zur Erfassung, Skalierung bzw. Korrektur der Sensorsignale vorhanden ist, und weiterhin eine Brückennachbildung (12) vorhanden ist, welche mittels aktiver Komponenten das Verhalten einer Voll- bzw. Halbbrücke zur Anzeige auf dem Datenmonitor nachbildet, die von der Mess-Schaltung derart angesteuert wird, daß dem Datenmonitor eine skalierte bzw. korrigierte Sensorbrückenschaltung vorgespiegelt wird.

2. Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktive Schaltung zur Skalierung bzw. Korrektur der Sensorsignale vorhanden ist, welche zusätzliche Spannungen bzw. Ströme in den Sensor bzw. Monitor einspeist bzw. Impedanzen in Serie bzw. parallel zum Sensor schaltet, so daß dem Datenmonitor eine skalierte bzw. korrigierte Sensorbrückenschaltung vorgespiegelt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Brückennachbildung steuerbare Widerstände, ein gesteuertes Widerstandsnetzwerk, insbesondere eine Digital-Analog-Wandler eingesetzt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Brückennachbildung ein analoger Multiplizierer vorhanden ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung durch die aktive Schaltung selbst erfolgt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Speicher zur Speicherung mindestens eines Nullpunktes bzw. zur Speicherung von Skalierungs- sowie Korrekturwerten vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bzw. 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Sensor und der Brückensimulation eine berührungslose, telemetrische Verbindung vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung zu Überwachung des Nullpunktabgleichs vorgesehen ist, welche erst nach erreichen eines eingeschwungenen Zustandes des Sensorsignals den Nullpunktabgleich wahlweise in einem vorgegebenen Zeitfenster freigibt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein externer Nullpunkt- und Konfigurationsspeicher, der telemetrisch oder drahtgebunden anschließbar ist vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit zu Signalisierung des Nullpunktes an den Monitor vorgesehen ist, wobei die Signalisierung des Nullpunktes auf Steuersignale hin bzw. innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls nach dem Einstecken des Sensors bzw. dem Einschalten der Speisespannung erfolgt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit zu Signalisierung von Kalibrierwerten an den Monitor vorgesehen ist, wobei die Signalisierung der Kalibrierwerte auf Steuersignale hin bzw. innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls nach dem Einstecken des Sensors bzw. dem Einschalten der Speisespannung erfolgt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit zu abwechselnden Signalisierung von Nullpunktwerten bzw. Kalibrierwerten an den Monitor vorgesehen ist, wobei die Signalisierung dieser Werte auf Steuersignale hin bzw. innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls nach dem Einstecken des Sensors bzw. dem Einschalten der Speisespannung oder Wahlweise so lange, bis der Sensor betriebsbereit ist bzw. in einen Ruhezustand eingeschwungenem ist, erfolgt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit zur Überwachung der Sensorfunktion vorgesehen ist, welche wichtige Betriebsparameter bzw. Ausgangswerte des Sensors überwacht und eine Fehlfunktionen des Sensors signalisiert.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zu Steuerung bzw. Überwachung der Sensorfunktionen ein Microcontroller oder auch ein Mikroprozessor eingesetzt ist.