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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrodenvorrichtung zum Messen
von elektrischen Signalen, insbesondere von elektrischen Signalen
eines lebenden Körpers
wie EEG-Signalen, mit einem Gehäuse,
an dem eine Elektrode aus einem elektrisch leitfähigen Material so festgelegt
ist, dass die Elektrode mit einer Messoberfläche wie beispielsweise dem Kopf
eines Patienten in Kontakt gebracht werden kann.
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Derartige
Elektrodenvorrichtungen sind allgemein bekannt und verfügbar, beispielsweise über www.schwarzer.net.
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Zur
Messung der elektrischen Aktivität
des Gehirns können
Spannungsschwankungen an der Kopfoberfläche von Patienten aufgezeichnet
werden. Diese Art der medizinischen Diagnostik wird als EEG (Elektronenenzephalographie)
bezeichnet. Aus den aufgezeichneten Daten lassen sich von diagnostisch geübten Medizinern
bestimmte Muster erkennen, wie beispielsweise Alpha-Wellen etc.
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In
der Regel erfolgen EEG-Messungen aufgrund der vergleichsweise geringen
nutzbaren Signalamplituden unter elektromagnetisch möglichst
unproblematischen Bedingungen, beispielsweise in entsprechend abgeschirmten
Räumen
etc.
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Eine
zweite Möglichkeit,
bestimmte Daten über
das Gehirn zu erlangen, ist die so genannte Magnetresonanztomographie
(im Folgenden kurz mit MRI (magnetic resonance imaging) bezeichnet.
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MRI
ermöglicht
beispielsweise die Lokalisation von Gehirnbereichen, in denen sich
das Niveau der neuronalen Aktivität während experimenteller Zustände verändert, verglichen
mit einem Referenz- bzw. Steuerzustand ("Combining EEG and fMRI in Epilepsy:
Methodological Challenges and Clinical Results, Jean Gotman et al.,
Journal of Clinical Neurophysiology, Band 21, Nr. 4, August 2004).
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In
dem oben erwähnten
Aufsatz wird vorgeschlagen, die zwei genannten Messverfahren miteinander
zu kombinieren, um insbesondere bei Epilepsie-Patienten eine bessere
Diagnose zu ermöglichen.
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Aufgrund
der schnell veränderlichen
Messsignale werden sowohl die MRI- als auch die EEG-Signale aufgezeichnet.
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Die
EEG-Signale sind für
diesen speziellen Fall mit starken Fremdsignalen überlagert.
Denn die MRI-Apparatur erzeugt naturgemäß relativ große statische
Magnetfelder sowie auch während
Abtastperioden schnelle magnetische Wechselfelder.
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Die
so in dem EEG-Signal induzierten Artefakte müssen durch eine vergleichsweise
aufwändige
Signalverarbeitung ausgelöscht
bzw. verringert werden, um aus den EEG-Aufzeichnungen die "echten" EEG-Signale zu extrahieren.
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Zu
berücksichtigen
ist dabei, dass die Störungsamplitude
in den EEG-Aufzeichnungen um den Faktor 1000 größer sein kann als die Nutzamplitude der
EEG-Aufzeichnungen, die von den Dipolen im menschlichen Gehirn erzeugt
wird. Aus dem Dokument "Removal
of FMRI environment artifacts from EEG data using optimal basis
sets", R.K. Niazy
et al., NeuroImage 28, 2005, Seiten- 720-737 ist es bekannt, sowohl
Gradienten-Artefakte als auch ballistokardiographische Artefakte
von den EEG-Aufzeichnungen zu entfernen. Der Ansatz beruht auf der
Idee, dass temporäre
Variationen der Artefakte durch eine temporäre Hauptkomponentenanalyse
(PCA) aufgezeichnet bzw. erkannt werden können. Die Entfernung der Artefakte
basiert folglich auf dem Konzept, bestimmte Muster dieser Artefakte
zu erkennen, um die Artefakte folglich besser identifizieren und
entfernen zu können.
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Ein
weiteres Verfahren auf diesem Gebiet ist bekannt aus "Assessing the spatiotemporal
evolution of neuronal activation with single-trial event-related potentials
and functional MRI", Tom
Eichele et al., PNAS, 6. Dezember 2005, Band 102, Nr. 49, Seiten 17798-17803.
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Vor
dem obigen Hintergrund besteht Bedarf nach einem verbesserten Ansatz,
um elektrische Messsignale wie z.B. EEG-Signale möglichst
artefakt- bzw. störungsfrei
zu gewinnen.
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Diese
Aufgabe wird bei der eingangs genannten Elektrodenvorrichtung zum
Messen von elektrischen Signalen dadurch gelöst, dass eine zweite Elektrode
vorgesehen ist, die an dem Gehäuse
festgelegt und gegenüber
der ersten Elektrode elektrisch isoliert ist, wobei die zweite Elektrode
mit der Messoberfläche
nicht in Kontakt kommt.
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Die
erfindungsgemäße Elektrodenvorrichtung
ist folglich als Doppelelektrode ausgebildet, wobei die erste Elektrode
mit der Messoberfläche
in Kontakt gebracht werden kann, um die elektrischen Nutzsignale
aufzuzeichnen. Die zweite Elektrode ist nicht direkt mit der Messoberfläche verbunden
und zeichnet demzufolge das Nutzsignal nicht direkt auf. Bei Anbringung
an dem gleichen Gehäuse
bzw. bei Anordnung der zwei Elektroden in unmittelbarer Nähe zueinander
kann jedoch erreicht werden, dass beide Elektroden im Wesentlichen
die gleichen Störsignale
aufnehmen, wie sie beispielsweise in MRI-Umgebungen induziert werden
können.
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Demzufolge
ist es mittels der erfindungsgemäßen Elektrodenvorrichtung
vergleichsweise einfach möglich,
Messsignale bereitzustellen, aus denen das Nutzsignal extrahiert
werden kann.
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Die
Aufgabe wird folglich vollkommen gelöst.
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Von
besonderem Vorzug ist es, wenn an dem Gehäuse erste Anschlussmittel zur
elektrischen Verbindung der ersten Elektrode mit einer Auswerteeinrichtung
festgelegt sind.
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Auf
diese Weise lässt
sich das von der ersten Elektrode erfasste Messsignal auf einfache
Weise weiterleiten.
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In
entsprechender Weise sind an dem Gehäuse vorzugsweise zweite Anschlussmittel
zur elektrischen Verbindung der zweiten Elektrode mit einer Auswerteeinrichtung
festgelegt.
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Auch
ist es vorteilhaft, wenn das Gehäuse insgesamt
napfförmig
ausgebildet ist. Bei einer solchen Napfform lassen sich die zwei
Elektroden konstruktiv vergleichsweise einfach unterbringen, und auch
eine elektrische Isolierung der Elektroden gegeneinander ist leicht
realisierbar.
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Von
besonderem Vorteil ist es dabei, wenn die erste Elektrode im Bereich
einer Napföffnung
des Gehäuses
frei zugänglich
festgelegt ist.
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Auf
diese Weise kann die erste Elektrode auf einfache Weise mit der
Messoberfläche
in Kontakt gebracht werden, und zwar entweder unmittelbar oder mittelbar über ein
leitendes Gel, wie es allgemein bekannt ist.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn die zweite Elektrode innerhalb des napfförmigen Gehäuses festgelegt
ist, vorzugsweise hinter der ersten Elektrode, von der Napföffnung aus
gesehen.
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Auf
diese Weise kann die zweite Elektrode gegenüber der ersten Elektrode isoliert
werden, und es kann verhindert werden, dass die zweite Elektrode mit
der Messoberfläche
in Kontakt kommt.
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Insgesamt
ist es auch vorteilhaft, wenn die erste und die zweite Elektrode
plattenförmig
ausgebildet und parallel zueinander ausgerichtet sind.
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Bei
dieser Ausführungsform
kann gewährleistet
werden, dass die von den zwei Elektroden aufgezeichneten Störsignale
im Wesentlichen identisch sind, so dass sich das Nutzsignal aus
dem Messsignal der ersten Elektrode leichter extrahieren lässt.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
sind die erste und die zweite Elektrode durch einen Luftspalt elektrisch
voneinander isoliert.
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Von
besonderem Vorteil ist es jedoch, wenn die zwei Elektroden durch
einen elektrischen Festkörperisolator,
wie einen Kunststoffblock oder Ähnliches,
elektrisch gegeneinander isoliert sind.
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Bei
einem Festkörperisolator
lässt sich
zudem eine kompakte und insgesamt steife Bauweise der Elektrodenvorrichtung
realisieren.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind die erste und die zweite Elektrode jeweils mit einem elektrischen
Leiter verbunden, wobei der erste und der zweite elektrische Leiter
jeweils isoliert sind und wobei die isolierten Leiter zu einem Anschlusskabel
verdrillt sind.
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Damit
kann gewährleistet
werden, dass auch die Zuleitungen, die beispielsweise zu einer Auswerteeinrichtung
geführt
werden, etwa gleichen Einflüssen
unterliegen und folglich keine unterschiedlichen Artefakte in die
Zuleitungen induziert werden können.
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Vorzugsweise
wird die erfindungsgemäße Elektrodenvorrichtung
in einer Messanordnung zum Messen von elektromagnetischen Signalen
eines lebenden Körpers
verwendet, wobei die Messanordnung eine Auswerteeinrichtung und
eine erfindungsgemäße Elektrodenvorrichtung
aufweist, und wobei die Auswerteeinrichtung eine Subtraktionseinrichtung
aufweist, in der ein erstes Messsignal von der ersten Elektrode
und ein zweites Messsignal von der zweiten Elektrode voneinander
subtrahiert werden, um ein resultierendes Signal mit weniger Störsignalanteilen
zu erhalten.
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Von
besonderem Vorteil ist dabei, wenn die Subtraktion des ersten und
des zweiten Messsignals in Echtzeit erfolgt, wenn also die Subtraktionseinrichtung
den eigentlichen Auswertemitteln in der Auswerteeinrichtung vorgeschaltet
ist.
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Es
ist jedoch alternativ auch möglich,
beide Messsignale zunächst
aufzuzeichnen und anschließend
numerisch voneinander zu subtrahieren.
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Vorzugsweise
weist die Messanordnung ein EEG-Messgerät zum Messen von elektrischen
Hirnströmen
mittels der erfindungsgemäßen Elektrodenvorrichtung
auf.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform weist
die Messanordnung einen Magnetresonanztomographen zum Messen von
Magnetresonanzsignalen auf.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Messanordnung gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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2 eine
schematische Schnittansicht durch eine Elektrodenvorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wie sie beispielsweise in der Messanordnung
der 1 verwendbar ist.
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In 1 ist
eine Messanordnung zum Messen von elektromagnetischen Signalen eines
lebenden Körpers
generell mit 10 bezeichnet.
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Die
Messanordnung 10 dient zur Messung von elektromagnetischen
Signalen an einem Patienten 12, der beispielsweise auf
einem Bett 14 liegt.
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Die
Messanordnung 10 dient zu Diagnosezwecken, insbesondere
am Gehirn des Patienten 12. Die Messanordnung 10 weist
zu diesem Zweck zum einen einen Magnetresonanztomographen 16 auf. Der
Magnetresonanztomograph 16 ist in Bezug auf den Patienten 12 verschiebbar,
wie es schematisch bei 18 gezeigt ist.
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Alternativ
ist es natürlich
auch möglich,
den Patienten 12 relativ zu einem stationären Magnetresonanztomographen 16 zu
bewegen.
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Die
Messanordnung 10 weist ferner ein EEG-Messgerät 20 auf,
mittels dessen elektrische Gehirnströme des Patienten 12 gemessen
werden können.
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Ferner
beinhaltet die Messanordnung 10 eine Auswerteeinrichtung 22.
Die Auswerteeinrichtung 22 ist über eine schematisch angedeutete
Verbindungsleitung 23 mit dem Magnetresonanztomographen 16 verbunden,
und empfängt über die
Verbindungsleitung 23 MRI-Signale 24.
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Ferner
ist an dem Kopf 28 des Patienten 12 eine Mehrzahl
von Elektrodenvorrichtungen 30 angebracht, die über Anschlusskabel 32 mit
der Auswerteeinrichtung 22 verbunden sind. Die Auswerteeinrichtung 22 empfängt über die
Anschlusskabel 32 EEG-Signale 26.
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In 1 ist
ferner gezeigt, dass die Auswerteeinrichtung 22 geeignete
Anzeigen aufweist, um die MRI-Signale 24 bzw. die EEG-Signale 26 anzuzeigen.
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Es
versteht sich vorliegend, dass die oben beschriebene Darstellung
rein schematischer Natur ist, um die allgemeinen Verbindungen der
einzelnen Elemente der Messanordnung 10 untereinander aufzuzeigen.
Es versteht sich jedoch auch, dass einzelne Elemente miteinander
integriert sein können
bzw. in der Praxis deutlich komplexer aufgebaut sind als es in 1 dargestellt
ist.
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Die
Auswerteeinrichtung 22 weist ferner eine schematisch angedeutete
Subtraktionseinrichtung 34 auf, in der Messsignale voneinander
subtrahiert werden können.
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Die
Elektrodenvorrichtungen 30 nehmen an der Kopfoberfläche Spannungsschwankungen
auf, die elektrischen Gehirnströmen
entsprechen. Die Theorie der EEG ist gut bekannt und soll hier aus Gründen einer
kompakten Darstellung nicht näher
erläutert
werden.
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Vorliegend
wird aufgrund des Magnetresonanztomographen 16, bei dem
es sich beispielsweise um einen 1,5 Tesla-Tomographen handeln kann, eine
relativ problematische Störumgebung
in Bezug auf das EEG-Messgerät 20 eingerichtet.
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Tatsächlich kann
insbesondere ein geschalteter Gradientenimpuls eines Scanners des
Magnetresonanztomographen 16 erhebliche Störungsanteile
in die EEG-Signale 26 induzieren. Der Störungsanteil
kann dabei um den Faktor 1000 größer sein
als die Amplitude der eigentlichen EEG-Signale.
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Um
dieses Problem zu lindern, sind für das EEG-Messgerät 20 spezielle
Elektrodenvorrichtungen 30 vorgesehen, von denen eine in 2 in
schematischer Form dargestellt ist.
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Die
Elektrodenvorrichtung 30 weist ein napfförmiges,
beispielsweise zu einer Achse 41 im Wesentlichen rotationssymmetrisches
Gehäuse 40 auf. Das
Gehäuse 40 weist
eine untere Öffnung 42 auf. Die
Elektrodenvorrichtung 30 wird mit der Öffnung 42 auf eine
Messoberfläche 44 (wie
die Haut eines Kopfes 28 eines Patienten 12) aufgesetzt.
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In
dem Gehäuse 40 ist,
etwas zurückversetzt gegenüber der Öffnung 42 (oder
bündig
mit der Öffnung 42),
eine erste Elektrode 46 festgelegt. Die erste Elektrode 46 kontaktiert
die Messoberfläche 44 über ein
Elektrodengel 48, wie es allgemein bekannt ist.
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Ferner
ist die erste Elektrode 46 mit Anschlussmitteln 50 verbunden,
die wiederum mit einem elektrischen Leiter 52 verbunden
sind. Über
den elektrischen Leiter 52 wird ein Messsignal 53 der
ersten Elektrode 46 zu der Auswerteeinrichtung 22 geführt.
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Die
Elektrodenvorrichtung 30 weist ferner eine zweite Elektrode 54 auf.
Die zweite Elektrode 54 ist von der Form her identisch
ausgebildet wie die erste Elektrode 46, und zwar als im
Wesentlichen runde Platte. Die zwei Elektroden 46, 54 sind
parallel zueinander angeordnet und durch einen Festkörperisolator 56,
beispielsweise in Form von Kunststoff, voneinander getrennt. Auch
das Gehäuse 40 ist
vorzugsweise aus einem nicht-leitenden Material, wie einem Kunststoffmaterial,
hergestellt.
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Die
zweite Elektrode 54 ist ebenfalls mit Anschlussmitteln 58 verbunden,
die wiederum mit einem elektrischen Leiter 60 verbunden
sind. Über
den elektrischen Leiter 60 wird im Wesentlichen ein reines
Störsignal 61 zu
der Auswerteeinrichtung 22 übertragen.
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Die
zweite Elektrode 54 ist nämlich innerhalb des Gehäuses 40 so
angeordnet, dass sie die Messoberfläche 44 nicht kontaktiert.
Daher nimmt die zweite Elektrode 54 auch im Wesentlichen
keine EEG-Signale von der Messoberfläche 44 auf. Aufgrund
der identischen Form und gleichen Anordnung der zweiten Elektrode 54 nimmt
diese jedoch im Wesentlichen die gleichen Störsignale auf wie die erste Elektrode 46,
so dass die zweite Elektrode 54 im Wesentlichen ein reines
Störsignal 61 ableitet.
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Um
zu vermeiden, dass die über
die elektrischen Leiter 52, 60 übertragenen
Signale auf dem Weg zur Auswerteeinrichtung 22 verfälscht werden, sind
die elektrischen Leiter 52, 60 vorzugsweise miteinander
zu einem Anschlusskabel 32 verdrillt, wie es in 2 schematisch
dargestellt ist.
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Bei
Verwendung von mehreren Elektrodenvorrichtungen 30 zur
EEG-Messung, wie
es allgemein üblich
ist, ist es sinnvoll, die jeweiligen zweiten Elektroden 54 gegen
ein Potential zu referenzieren. Dabei kann es auch vorteilhaft sein,
die zweiten Elektroden 54 sämtlicher Elektrodenvorrichtungen 30 gegeneinander
kurzzuschließen.
Da die Elektrodenvorrichtungen 30 in Bezug auf den Magnetresonanztomographen 16 im
Wesentlichen am gleichen Ort (am Kopf 28) angeordnet sind,
zeichnen diese jeweils im Wesentlichen das gleiche Störsignal
auf.
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Es
versteht sich, dass die erfindungsgemäße Elektrodenvorrichtung 30 insbesondere
in Messanordnungen 10 verwendbar ist, in denen gleichzeitig eine
MRI-Messung mittels eines Magnetresonanztomographen 16 stattfindet.
Die Elektrodenvorrichtung 30 lässt sich jedoch auch in anderen
Umgebungen verwenden, insbesondere in anderen Umgebungen, die elektromagnetisch
nicht abgeschirmt sind.
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Ferner
ist die erfindungsgemäße Elektrodenvorrichtung 30 nicht
ausschließlich
für die
Messung von EEG-Signalen 26 geeignet. Möglich sind auch EMG (Elektromyographie)
-Messungen sowie EGG (Elektro-Gastrogramm) -Messungen oder andere ähnliche
Messarten.
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Ferner
ist zu berücksichtigen,
dass die zweite Elektrode möglicherweise
nur den zeitlichen Verlauf eines Störsignals 61 erfassen
kann, so dass das Störsignal 61 nicht
direkt vom Messsignal 53 abgezogen werden kann. Da jedoch
der isolierte Verlauf der Störung über das
Störsignal 61 bekannt
ist, können auch
bekannte Auswerteverfahren (digitale Signalnachverarbeitung) hiervon
profitieren.
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Ferner
ist es möglich,
die erfindungsgemäße Elektrodenvorrichtung 30 auch
für solche
Messungen zu verwenden, bei denen keine oder keine wesentlichen
Störungen
auftreten. In diesem Fall kann ausschließlich das Messsignal 53 verwertet
werden, wobei das Störsignal 61 bzw.
die zweite Elektrode 54 nicht verwendet werden.