DE10153360A1 - Vorrichtung und Verfahren eines EEG-Stiftes für die medizintechnische Notfall-, Routine- und Operationsausrüstung in der Human- und Veterinärmedizin - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Anwendungsgebiet
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren die eine sofortige, unmittelbare, mobile, netzunabhängige, artefaktarme Messung hirnelektrischer Aktivitäten (Elektroenzephalogramm, EEG) in Notfallsituationen, bei Routineuntersuchungen oder bei Operationen in der Human- und Veterinärmedizin ermöglichen. Daneben können auch weitere bioelektrischer Signale wie z. B. das Elektrookulogramms (EOG), das Elektrokardiogramm (EKG) oder das Elektromyogramm (EMG) erfasst werden.
Stand der Technik
• Mit der Messung der elektrischen Hirnaktivität kann der aktuelle Zustand des Gehirns (Cortex) beurteilt werden. Die ersten systematischen Analysen und Messungen humaner hirnelektrischer Signale hat der Arzt und Psychologe Hans Berger (1873-1941, Jena, Deutschland) durchgeführt. Bereits vor Bergers Entdeckung waren derartige bioelektrische Erscheinungen am tierischen Cortex beobachtet worden. Diese elektrische Hirnaktivität wird seitdem als "Elektroenzephalogramm" oder kurz als "EEG" und die Methode zu dessen Registrierung als "Elektroenzephalographie" bezeichnet. Die Elektroenzephalographie hat sich als ein stationäres Standartverfahren in Krankenhäusern, Kliniken, neurologischen Praxen und in der Schlafforschung etabliert.
• Neben den unhandlichen, stationären EEG-Systemen existieren seit einigen Jahren auch unterschiedliche mobile bzw. portable EEG-Geräte, die ambulant einsetzbar sind. Solche portablen EEG-Systeme bieten neben anderen beispielsweise die "micromed Medizin- Elektronik GmbH" (http:/ / www.micromed-medizin.de) oder die "Schwarzer GmbH" (http:/ / www.schwarzer.net/neuro/deutsch/neuroset.htm) an.
• Nachteile des Standes der Technik
• Ein wesentlicher Nachteile der existierenden, mobilen EEG-Systeme bestehen darin, dass sie sich für den sofortigen, unmittelbaren Einsatz in z. B. Extremfall- und Notsituationen nicht gut eignen, da aufwendige Vorbehandlungen der Ableitstelle, zeitaufwendige Positionierungen der Elektroden und elektrische Leitungen zu den Ableitstellen erforderlich sind. Ferner bestehen Nachteile hinsichtlich der Witterungsbedingungen (Regen, Feuchte, Temperatur) am Einsatzort, bezüglich einer notwendigen robuster Handhabung am Einsatzort und betreffs der Handlichkeit (Größe, Volumen, Gewicht) der Geräte.
• Bisher existieren keine geeigneten mobilen Vorrichtungen und Verfahren die eine sofortige und unmittelbare Messung von EEG-Signalen in speziellen Situationen ermöglichen.
Aufgabe der Erfindung
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren für ein einfaches, miniaturisiertes, handliches, robustes, netzunabhängiges, einfach zu bedienendes, sofort einsatzfähiges EEG-Gerät (EEG-Stift) für eine weite Verbreitung in der medizintechnischen Ausrüstung der Human- und Veterinärmedizin, zur Verfügung zu stellen. Insbesondere in Extremsituationen, ist eine sofortige Messung des EEG-Signals an unterschiedlichen Stellen des Kopfes bzw. des Körpers (bei anderen Biosignalen) erforderlich. Im Zuge der BSE-Krise ermöglicht diese Erfindung auch in der Veterinärmedizin eine verbesserte und schnellere Beurteilung des Gesundheitszustandes von Tieren.
Lösung der Aufgabe
• Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
• Vorteile der Erfindung
• - Kleines, handliches EEG-System in Stiftform.
• - Ableitelektroden sind federnd oder starr in Gehäuse integriert.
• - Bei gefederten Ableitelektroden (ggf. mit Gelenk), passen sich die Elektroden gut der Kopf bzw. Körperform an. Die Federkraft ist einstellbar.
• - Durch den federnden Elektrodenaufbau erfolgt ein guter, artefaktarmer Kontakt zur Körperoberfläche.
• - Verwendung von Einmal- bzw. Mehrfach Standard-Ableitelektroden möglich.
• - Alle notwendigen Komponenten sind in einem kleinen handlichen Gerät untergebracht.
• - Unmittelbare, sofortige Einsatzbereitschaft für die Messung des EEG (bzw. anderer Biosignale) am Unfallort, in Extremsituationen, bei Routineuntersuchungen oder bei Operationen am Gehirn.
• - Einsatz in der Human- und Veterinärmedizin (z. B. im Rahmen der BSE-Krise) möglich.
• - Bei unterschiedlichen Witterungsbedingungen einsetzbar.
• - Bei abgedichtetem Gehäuse ist ein Unterwassereinsatz möglich.
• - Sterilisierung bzw. Desinfektion des Systems ist möglich, da es entsprechend flüssigkeitsdicht gestaltet ist.
• - Wegen der handlichen Abmessungen und der integrierten Elektroden ist kein zusätzliches Hilfspersonal erforderlich.
• - Keine zeitaufwendige Vorbehandlung und Elektrodenpostionierung erforderlich.
• - Lokale Hirnaktivität nacheinander an unterschiedliche Stellen messbar z. B. geeignet Ihr den Seitenvergleich der linken und rechten Hirnhälfte.
• - Es besteht die Option, neben der bipolaren Ableitung auch monopolare Ableitungen (z. B. mit Hilfe einer zusätzlichen kabelgebundenen Ohr-Elektrode) durchzuführen.
• - Es sind unterschiedliche Ausführungsformen der Ableitelektroden möglich hinsichtlich einer einkanaligen bzw. mehrkanaliger Messung.
• - Anwendbar auch für weitere Biosignale (z. B. EMG, EOG, EKG), z. B. als handlicher universeller elektrischer Biosignaldetektor.
• - Unmittelbare Anzeige der gemessenen Signale bzw. medizinisch relevanter Signalparameter in graphischer, optischer, akustischer oder anderer Form, digital bzw. analog.
• - Bei akustischer Signalanzeige (EEG-modulierter Signalton im Hörbereich des Menschen) kann der Anwender seine visuelle Aufmerksamkeit anderen Tätigkeiten zuwenden.
• - Option der Datenspeicherung der gemessenen Daten für die medizinische Dokumentation und Analyse.
• - Option der drahtlosen Übertragung der Signale bzw. Daten an Klinik, Praxis, Labor oder einen Spezialisten.
• - Störunempfindlichkeit der Signalableitung, da keine längeren Elektrodenkabel.
• - Gute Signalqualität trotz großer Störungen, da eine elektronische "Bezugspotentialsteuerung" eingesetzt wird
• - Aufgrund der technisch einfachen Realisierung ist das System kostengünstig und hat ein weites Verbreitungspotential in der medizintechnischen Ausrüstung für unterschiedliche Anwendungsgebiete.
• - Der geringe Stromverbrauch des EEG-Stiftes gewährleistet lange Einsatz-Bereitschaft.
• - Rechtzeitige, automatische Erkennung und Warnung des Anwenders, falls Batterien zu schwach sind.
• - Spezieller Verschluss des Elektroden-Aufbaus um Elektroden vor Verunreinigung und Austrocknung zu schützen
• - Mit integrierter, digitaler Signalverarbeitung ist die unmittelbare, automatische Auswertung von EEG- bzw. anderer Biosignale möglich.
• - Anwendung bei Epilepsie-Patienten.
• - Bei der Anordnung vieler Ableitelektroden ist eine graphische Anzeige der zugehörigen Feldverteilung ("Brainmapping") möglich.
• - Anwendungen in Raumfahrt für neurologische Experimente.
• Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
• Es zeigen
• Fig. 1 Prinzipielle Anordnung der Komponenten eines EEG-Stiftes.
• Fig. 2 Sicht auf die Elektrodenpositionierung des EEG-Stiftes.
• Fig. 3 Schnittbild zur Verdeutlichung des Aufbaus der gefederten Elektroden.
• Fig. 4 Blockschaltbilddarstellung der analogen Signalverarbeitung des EEG-Stiftes.
• Fig. 5 Gemessener EEG-Signalverlauf an der Stirn eines Probanden.
• Fig. 6 Elektronischer Schaltplan.
• Fig. 7 Layout der aufgebauten SMD-Schaltung.
• Fig. 8 bis Fig. 12 Aufnahmen des realisierten Prototypen eines einkanaligen EEG-Stiftes.
• Fig. 13 Ausführungsform eines EEG-Stiftes mit graphischer LCD-, LED-Anzeige bzw. Analoganzeige bzw. akustischer Anzeige.
• Fig. 14 Ausführungsform eines EEG-Stiftes mit Datenfernübertragung per Funk, Infrarot oder anderen drahtlosen Übertragungsformen.
• Fig. 15 Ausführungsform eines miniaturisierten EEG-Stiftes.
• Das Ausführungsbeispiel eines einkanaligen EEG-Stiftes besteht aus folgenden Teilen:
  Gehäuse 6, Schraubkappen 42, 43, Batterien 7, Elektronik 8 und der Mechanik 9 für die Elektroden 10. Die drei elektrisch leitfähigen Elektrodenstifte 1, 2, 3 sind mit mechanischen Federn 4 in einem elektrisch isolierenden Vollmaterial 5 gelagert. Am Ende der Elektrodenstifte ist jeweils ein Druckknopfkontakt 12 angebracht an dem je eine geeignete Elektrode 11 befestigt wird. Von den einzelnen Elektrodenstiften 1, 2, 3 führt jeweils ein elektrisches Kabel 13 zu der Elektronik 8, (Fig. 6), wo die EEG-Signale geeignet verstärkt, aufbereitet, gefiltert und einer Anzeige zugeführt werden. Über die Muttern 14 kann die auf die Ableitstellen wirkende Kraft eingestellt werden. Der EEG-Stift wird mit der Position 18 am Kopf abgestützt und die gefederten Elektroden passen sich der gewählten Oberfläche an.
  Fig. 4 stellt die Funktionsweise des EEG-Stiftes im Blockschaltbild dar. Die elektrische Spannung 1 S stellt das verstärkte EEG-Signal dar, welches an der Kopfoberfläche 16 gemessen wird. Während die Elektrodenanschlüsse 1 und 2 das einkanalige EEG-Signal weiterleiten, dient der Elektrodenanschluß 3 der Unterdrückung von Störsignalen durch die Methode der sog. "Bezugspotentialsteuerung". Die gesamte elektronische Schaltung zur Messung der EEG-Signale zeigt Fig. 6. Das entsprechende Layout in SMD-Technik ist in Fig. 7 abgebildet. Fig. 5 gibt das EEG-Signal eines Probanden wieder, welches mit dem EEG- Stift-Prototypen (Fig. 8 bis Fig. 12) an der Stirn abgeleitet und über die Steckverbindung 17 mit einem Oszillographen aufgezeichnet wurde.
• Fig. 13, Fig. 14 und Fig. 15 zeigen weitere Ausführungsformen eines EEG-Stiftes mit unterschiedlichen Optionen und Alternativen. Die gemessenen EEG-Signale können in analoger 23, graphischer 22, optischer 37 und akustischer 21 Form angezeigt werden. Mit dem Schalter 19 wird der EEG-Stift eingeschaltet bzw. ausgeschaltet. Eine Kontrolleuchte 20 (z. B. LED) zeigt den Betriebszustand des Gerätes an. Die Ausführungsformen des EEG- Stiftes haben je nach Bedarf eine unterschiedlich große Anzahl an Elektroden 2 G, die je nach Bedarf fest bzw. federnd gelagert sind. Die Abdeckung 27, 28, 30 der Elektrodenvorrichtung schützen diese von Beschädigung und Austrocknung. Neben der unmittelbaren Anzeige der gemessenen EEG-Signale am Gerät, können die Daten über eine drahtlose Übertragungsstrecke (z. B. Funk 24, optische Übertragung 25, induktive Kopplung 39) an eine Empfangsstation weitergeleitet werden. Daneben können die gewonnenen Daten und Signale, (ggf mit weiteren Merkmalen wie z. B. Patientendaten, Datum, etc.) intern gespeichert und protokolliert werden. Durch den Einsatz speziell entwickelter integrierter Schaltungen (z. B. ASICS), miniaturisierter Komponenten und Teilsysteme ist die Größe des EEG-Stiftes noch weiter zu verkleinern, so dass ein EEG-Stift in der Größe eines Kugelschreibers (Fig. 15) realisiert werden kann. Er hat eine geeignet gefederte bzw. starre Elektrodenausführung 31 und einen Verschluß 30. Die optionalen Anzeigen des EEG Signals sind analog 36, graphisch 35, akustisch 33 oder optisch 38. Die optische Anzeige wird durch die gemessenen EEG- Signale geeignet moduliert. Ebenso wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 14, ist auch hier eine drahtlose Übertragungsstrecke vorgesehen. In dieser miniaturisierten oder einer ähnlich handlichen Form, stellt es eine neuartige Vorrichtung und ein neuartiges Verfahren eines medizintechnisches Produktes dar, das ein weites Verbreitungspotential in der Human- und Veterinärmedizin hat.
• Außer der systembedingten, bipolaren Ableitung des EEG-Stiftes ist mit einer zusätzlichen elektrischen Leitung 40 zu einer Ohrelektrode 41, auch eine monopolare EEG-Ableitung durchführbar.
• Die gleichzeitige graphische/farbliche Darstellung der EEG-Signale an den einzelnen Elektroden ermöglicht ein mobiles "Brainmapping".

Claims (21)

1. Vorrichtung und Verfahren eines EEG-Stiftes (Fig. 1, Fig. 8 - Fig. 15) zur Messung hirnelektrischer Aktivität (Elektroenzephalogramm EEG) (Fig. 5) und weiterer bioelektrischer Signale (wie z. B. Elektrookulogramm EOG, Elektrokardiogramm EKG, Elektromyogramm EMG) für die medizintechnische Notfall-, Routine- und Operationsausrüstung in der Human- und Veterinärmedizin, mit folgenden Merkmalen:
ein kleines, mobiles, netzunabhängiges, kompaktes und robustes Elektroenzephalographie-Gerät (EEG-Gerät) in handlicher Form eines Stiftes (Fig. 13- Fig. 15), oder in anderer geeigneter Form für die sofortige, unmittelbare und artefaktarme Erfassung von EEG-Signalen (Fig. 5) am Einsatzort ohne aufwendige Vorbehandlung der Ableitstellen und umständliche Elektrodenpositionierung am Kopf (16) oder auf der Haut für spezielle Notfall-, Routine und Operationssituationen (z. B. am Gehirn);
ein medizintechnisches Gerät für die Messung von EEG-Signalen (Figur. 5) dass alle erforderlichen Systemkomponenten wie Elektroden (10, 11, 26, 31), mechanische Komponenten (1, 2, 3, 4, 5, 12, 13, 14, 18), Stromversorgung (7), Bedienelemente (19), Anzeigeelement (20, 21, 22, 23, 33, 35, 36, 37, 38) und optional drahtlose Übertragungselemente (24, 25, 39) in einem einzigen Gehäuse (6, 29) beinhaltet;
einer Vorrichtung und eines Verfahrens mit starrer oder gefederter, ggf mit einem Gelenk versehener Befestigung für Einmal- bzw. Mehrfach-Ableitelektroden zur artefaktarmen Signalerfassung;
ein medizintechnisches Gerät, das als handlicher, universell einsetzbarer Biosignaldetektor (Fig. 15) für unterschiedliche elektrische Biosignale (EEG, EOG, EKG, EMG) dient und aufgrund seines geringen Volumens und Gewichts von Ärzten oder ärztlichem Hilfspersonal stets mitgeführt und im Bedarfsfall verwendet werden kann;
ein medizintechnisches Gerät, das die gemessenen Biosignale oder medizinisch relevante Signalparameter optional unmittelbar in graphischer (22, 35, 23) optischer (37, 38), akustischer (33) oder anderer Form, digital bzw. analog darstellt;
ein medizintechnisches Gerät, dass mit wasserdichtem Gehäuse die Ableitung von Biosignalen sowohl unter widrigen Wetterbedingungen als auch unter Wasser ermöglicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die gefederten (4) oder starr befestigten und ggf. mit einem Gelenk versehenen Elektroden sich der Kopf bzw. der Körperform anpassen können.

3. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Federkraft auf die Elektroden einstellbar ist (4, 12, 14).

4. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Sterilisierung bzw. Desinfektion des Systems möglich ist, da es entsprechend flüssigkeitsdicht gestaltet ist.

5. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der aufgrund der handlichen Abmessungen und der integrierten Elektroden kein zusätzliches Hilfspersonal erforderlich ist.

6. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die lokale Hirnaktivität nacheinander an unterschiedliche Stellen gemessen werden kann, z. B. für den Seitenvergleich der linken und rechten Hirnhälfte.

7. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Option besteht neben bipolaren EEG-Ableitungen auch monopolare Ableitungen, z. B. mit Hilfe einer zusätzlichen kabelgebundenen (40) Ohr-Elektrode (41), durchzuführen.

8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der unterschiedliche Ausführungsformen der Ableitelektroden hinsichtlich einer einkanaligen (Fig. 2, Fig. 6) bzw. mehrkanaliger Messung (Fig. 13, Fig. 14) möglich sind.

9. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der im Falle einer akustischen Signalanzeige (21) (d. h. EEG-modulierter Signalton im Hörbereich des Menschen) der Anwender seine visuelle Aufmerksamkeit anderen Tätigkeiten zuwenden kann.

10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, mit der Option der Speicherung der gemessenen Daten für die medizinische Dokumentation und Analyse.

11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, mit der Option zu drahtlosen Übertragung (24, 25) der Signale bzw. Daten an Klinik, Praxis, Labor oder einen Spezialisten.

12. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der eine Störunempfindlichkeit der Signalableitung gewährleistet ist, da keine längeren Elektrodenkabel erforderlich sind.

13. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der eine gute Signalqualität trotz großer Störungen vorliegt, da eine elektronische "Bezugspotentialsteuerung" (Fig. 4, Fig. 6) eingesetzt wird.

14. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der aufgrund der technisch einfachen Realisierung, das System kostengünstig ist und ein weites Verbreitungspotential in der medizintechnischen Ausrüstung für unterschiedliche Anwendungsgebiete hat.

15. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der aufgrund des geringen Stromverbrauchs (Fig. 4, Fig. 6, Fig. 7, Fig. 15) des EEG-Stiftes eine lange Einsatz- Bereitschaft gewährleistet ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der eine rechtzeitige, automatische Erkennung und Warnung an den Anwenders erfolgt, falls die Batterien zu schwach geworden sind.

17. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der ein spezieller Verschluss (27, 28, 42, 30) des Elektroden-Aufbaus (10, 26, 31) die Elektroden vor Verunreinigung und Austrocknung schützt.

18. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der mit integrierter, digitaler Signalverarbeitung die unmittelbare, automatische Auswertung von EEG- bzw. anderer Biosignale möglich ist.

19. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Anwendung des Gerätes sowohl in der Human- als auch in der Veterinärmedizin möglich ist (z. B. bei Epilepsie-Patieneten oder zur Diagnose von BSE bei Tieren).

20. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der eine Anordnung vieler Ableitelektroden (26) vorhanden ist und eine graphische Anzeige die zugehörigen elektrische Feldverteilung ("Brainmapping") ermöglicht.

21. Vorrichtung und Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, zur Anwendungen in Raumfahrt und für neurologische Experimente.