DE102005041385A1

DE102005041385A1 - Vorrichtung zum Schutz eines elektrischen Impedanztomographen vor Überspannungspulsen

Info

Publication number: DE102005041385A1
Application number: DE102005041385A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Hofmann; Jianhua Dr. Li; Markus Steeger
Original assignee: Draeger Medical GmbH
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 2005-09-01
Filing date: 2005-09-01
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2025-09-02
Also published as: US20070049993A1; DE102005041385B4

Abstract

Es soll eine Schaltung angegeben werden, die den Messeingang eines Elektroimpedanztomographen vor Überspannungsschäden schützt. Zur Lösung der Aufgabe ist als Schutzschaltung eine RC-Reihenschaltung am Messeingang vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz eines elektrischen Impedanztomographen vor Überspannungspulsen.

Elektrodiagnostische Verfahren werden häufig an Patienten angewandt, die sich in einem kritischen Zustand befinden. Dabei kann es erforderlich werden, dass kurzfristig ein Defibrillator eingesetzt wird, ohne dass genügend Zeit besteht, Diagnosegeräte regulär vom Patienten zu trennen. Dadurch besteht die Gefahr einer Schädigung der Diagnosegeräte durch Überspannungspulse.

Die Defibrillation ist bei lebensbedrohlichen Situationen wie Kammerflimmern oder pulsloser Kammertachykardie die einzige effektive und lebenserhaltende Maßnahme.

Jede Verzögerung, die sich durch das Abnehmen von Elektroden oder elektrischen Anschlüssen vom Patienten ergeben würde, ist vollkommen inakzeptabel.

Gemäß dem Stand der Technik verwendet man bei reinen EKG-Geräten oder bei kombinierten EKG-Impedanzmessgeräten, die nicht für bildgebende Verfahren verwendet werden, Eingangswiderstände im Bereich von 10–50 kΩ, um technische Schäden durch den Einsatz von Defibrillatoren zu verhindern.

Die besondere Schwierigkeit bei impedanztomographischen Verfahren besteht darin, dass bei Anwendungen in der thorakalen elektrischen Impedanztomographie im Gegensatz zur reinen Elektrokardiographie die Elektroden häufig für einen doppelten Einsatzzweck vorgesehen sind.

Sie sollen erstens die Anregungsströme, die bis zu 10mA betragen können und mit denen eine gut auswertbare Potentialverteilung im Patienten erreicht werden soll, in den Patienten einleiten.

Zweitens sollen sie die geringen Signalströme, die aufgrund der mit den Anregungsströmen erzeugten Potentialverteilung an der Hautoberfläche des Patienten gemessen werden, dem Eingangsverstärker wieder zuführen.

Die zu messenden Signalströme können im Nanoampère-Bereich liegen.

Die einzuleitenden Ströme müssen mit bis zu 10mA so hoch gewählt werden, um ausreichende Potentialunterschiede im gesamten Thorax zu erzeugen, um aus den abgegriffenen Potentialen ein Bild erzeugen zu können. Über Widerständen von 10–50 kQ würden dabei Spannungen von 100–500V abfallen. Solche Spannungen können am Patienten nicht zum Einsatz gebracht werden, weshalb die Möglichkeit der Absicherung des Impedanztomographen durch ausreichend hohe Schutzwiderstände nicht in Betracht zu ziehen ist.

Eine Absicherung der Eingänge durch parallel zum Eingangsverstärker geschaltete Varistoren oder Dioden ist ebenfalls problematisch. Zusätzliche Streukapazitäten, die zwischen Signalleitung und Bezugspotential geschaltet werden, müssen möglichst gering gehalten werden. Das ist erforderlich, damit bei den üblichen Arbeitsfrequenzen von etwa 10–200 kHz keine inakzeptablen Blindwiderstände entstehen, die parallel zum Eingang der ersten Verstärkerstufe liegen. Sie würden die Last unzulässig erhöhen, die der Messkreis gegenüber der Potentialverteilung auf der Hautoberfläche des Patienten darstellt und somit die Messung verfälschen. Bei einer Frequenz von 50kHz stellen 10pF bereits eine Impedanz von etwa 30kΩ dar. Damit verbieten sich Lösungen, die Varistoren oder Dioden parallel zum Eingangsverstärker beinhalten, wenn deren Störkapazität höher als einige pF ist. Dadurch scheiden aber alle Typen aus, die die Ströme, die üblicherweise durch einen Defibrillator-Schlag entstehen, dissipieren könnten.

Es muss daher davon ausgegangen werden, dass der Defibrillator zum Einsatz kommt, ohne dass der Patient vom Impedanztomogaphen dekonnektiert wird. Neben dem erforderlichen Schutz der Schaltung vor einer Überlastung ergibt sich die Anforderung, eine zu starke Ableitung der Energie des Defibrillatorpulses zu vermeiden, um die Wirksamkeit des Defibrillators nicht unzulässig einzuschränken.

Beispielhaft fordern Normwerke, dass maximal 10% der Energie eines Defibrillatorpulses vom Messkreis dissipiert werden dürfen, wenn noch von einer ausreichenden Wirksamkeit ausgegangen werden soll.

Äquivalente normative Forderungen für thorakale Impedanztomographen sind im Falle einer Etablierung dieses diagnostischen Verfahrens zweifellos zu erwarten. Vor dem Schutz eventuell gefährdeter Gerätekomponenten steht die Gewährleistung eines wirkungsvollen Einsatzes des Defibrillators zum Schutze des Patienten.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung, die einen an einen Patienten angeschlossenen thorakalen elektrischen Impedanztomographen im Fall der Anwendung eines Defibrillators oder Elektrokauters sicher vor Überspannungsschäden schützt, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Energie der Defibrillatorpulse in einem Maße abgeleitet wird, die der Wirksamkeit der Defibrillation abträglich ist, wobei die Funktionsfähigkeit des Impedanztomographen erhalten bleiben soll.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 8 angegeben.

Die Grundidee der Erfindung geht von der Unterscheidung zweier Betriebszustände aus:

1.) Dem Normalbetrieb, bei dem durch die Elektrodenanschlüsse sowohl Ströme zur Anregung im Bereich 1–10 mA als auch Ströme zur Detektion im Bereich von typischerweise 100nA bis 5μA fließen.
2.) Dem Extremzustand, bei dem die Elektroden ab externo mit Spannungen beaufschlagt werden, welche die Versorgungsspannung übersteigen und bis zu 5 kV betragen können.

Die Lösung der Aufgabe basiert auf der Idee, für jeden der beiden genannten Betriebszustände den jeweils passenden Widerstand bereit zu halten, wobei während des Überganges von einem zum anderen Betriebszustand automatisch eine Anpassung des Widerstandes an die jeweiligen Anforderungen erfolgt.

Die Erfindung umfasst somit einen elektrischen Impedanztomographen, dessen Signaleingänge mit einer Schutzschaltung versehen sind, die bei Anliegen einer für den normalen Messbetrieb zu hohen Spannung die Signaleingänge gegen zu hohe Eingangsströme sichert. Das erfolgt so, dass die Effektivität einer Defibrillation sichergestellt und das Gerät vor Überspannungspulsen geschützt ist.

Im Normalbetrieb des Impedanztomographen wird ein niederohmiger Widerstand verwendet, der typischerweise im Bereich unter 1 kΩ liegt. Im Falle einer Belastung durch eine zu hohe Spannung während einer Defibrillation wird durch wirksame Maßnahmen die Energieaufnahme über die Schaltung des Impedanztomographen in ausreichend kurzer Zeit in ausreichend hohem Maße begrenzt.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Schutz eines elektrischen Impedanztomographen vor Überspannungspulsen.

Erfindungsgemäße EIT-Geräte enthalten eine Schutzschaltung, die eine RC-Reihenschaltung zwischen einer Elektrode 1, die an einen Patienten 2 angeschlossen werden kann, und dem Eingang des EIT-Gerätes 3 umfasst. Die Kombination eines in Reihe geschalteten Hochspannungskondensators C und eines Widerstands Rs am Eingang des Impedanztomographen weist im Normalbetrieb aufgrund der für die Stromeinspeisung verwendeten Frequenzen, typisch hier 25–200 kHz, eine niedrige Impedanz auf. Die Dioden D1 und D2 sind im Normalbetrieb gesperrt.

Die aus der Stromeinspeisung resultierenden Potentiale an den übrigen Elektroden können ohne deutliche Dämpfung gemessen werden, weil die Impedanz der Reihenschaltung RC gegenüber der Eingangsimpedanz des Impedanztomographen sehr klein ist. Auch bei der Messung der Potentiale im Normalbetrieb sind die Dioden D1 und D2 gesperrt.

Während einer Defibrillation liegt an der Elektrode zeitweise eine hohe Spannung an, im Extremfall bis zu 5 kV. Dabei wird die von der Schutzschaltung absorbierte Energie durch den Kondensator C begrenzt, der nur einen sehr kurzzeitigen Ladestrom zulässt. Der Widerstand Rs begrenzt den Ladestrom, der sonst insbesondere bei einem sehr schnellen Anstieg eines Defibrillator-Impulses zu hoch werden könnte.

Während der positiven Flanke des Defibrillator-Impulses wird der Ladestrom über D1 zur Versorgungsspannung +V_clamp abgeleitet, sobald das Potential am Knoten zwischen D1 und D2 +V_clamp überschreitet. Die abgeleitete Energie wird in der Spannungsversorgung absorbiert. Auf diese Weise wird der Impedanztomograph geschützt. Sobald das Potential an der Elektrode sinkt, wird die gespeicherte Energie über D2 entladen. Der Entladungsstrom fließt über die Diode D2 zur Versorgungsspannung -V_clamp, sobald das Potential am Knoten zwischen D1 und D2 unterhalb von -V_clamp liegt. Auf diese Weise wird das Potential am Eingang des Impedanztomographen stets zwischen +V_clamp und -V_clamp liegen, wodurch dieser sicher vor Hochspannungspulsen geschützt wird. Der Hauptanteil der Energie der Defibrillator-Pulse liegt im Niederfrequenzbereich. Durch Auswahl einer geeigneten Kapazität wird der Energieverlust begrenzt.

Der Anteil der absorbierten Energie ist von der gewählten Energiestufe des Defibrillators nahezu unabhängig.

Mit einer derartigen Schutzschaltung lassen sich zusätzlich die Schirmungen verwendeter Messleitungen absichern.

Es sind verschiedene Möglichkeiten der Integration der erfindungsgemäßen Schutzschaltung in EIT-Geräte realisierbar. So kann die Schutzschaltung vorteilhaftzerweise in die mit dem Impedanztomographen verwendeten Elektroden integriert werden.

Es kann weiterhin von Vorteil sein, die Schutzschaltung in einen mit dem Impedanztomographen verwendeten Elektrodenträger zu integrieren.

Weiterhin kann die Schutzschaltung in mit dem Impedanztomographen verwendete elektrische Steckverbindungen integriert werden oder als Bestandteil von mit dem Impedanztomographen verwendeten Elektrodenkabeln ausgeführt sein.

Claims

Elektrischer Impedanztomograph, dadurch gekennzeichnet, dass seine Signaleingänge mit einer Schutzschaltung versehen sind, die bei Anliegen einer für den normalen Messbetrieb zu hohen Spannung die Signaleingänge gegen zu hohe Eingangsströme sichert.
Elektrischer Impedanztomograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Messkanäle mit einer Schutzschaltung ausgestattet sind, die sowohl die Effektivität einer Defibrillation sicherstellen als auch das Gerät vor Überspannungspulsen schützt.
Elektrischer Impedanztomograph nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Schutzvorrichtung in den Messeingängen des Gerätes eine Schutzschaltung enthalten ist, die eine RC-Reihenschaltung umfasst.
Elektrischer Impedanztomograph nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Schirmungen des Messleitungen mit einer Schutzschaltung ausgestattet sind.
Elektrischer Impedanztomograph nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung in die mit dem Impedanztomographen verwendeten Elektroden integriert ist.
Elektrischer Impedanztomograph nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung in einen mit dem Impedanztomographen verwendeten Elektrodenträger integriert ist.
Elektrischer Impedanztomograph nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung in mit dem Impedanztomographen verwendete elektrische Steckverbindungen integriert ist.
Elektrischer Impedanztomograph nach einem der Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung in die mit dem Impedanztomographen verwendeten Elektrodenkabel integriert ist.