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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Biosignalen mittels
einer Erfassungseinheit, bei dem mehrere analoge Biosignale von
mehreren Sensoren erfasst werden. Die Erfindung betrifft weiterhin
eine Vorrichtung zur Erfassung von Biosignalen mittels einer Erfassungseinheit.
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Im
Stand der Technik, insbesondere im Bereich der Medizintechnik ist
es allgemein bekannt, Biosignale mittels einer Erfassungseinheit
zu erfassen. Eine solche Erfassungseinheit kann dabei vorgesehen
sein, um die beispielsweise von entsprechenden Sensoren aufgenommenen
Biosignale auszuwerten, anzuzeigen, zu speichern oder sonstige Arten
der Verarbeitung durchzuführen.
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Typische
Anwendungen, bei der Biosignale z. B. vom Menschen erfasst werden,
sind die Aufzeichnung eines Elektrokardiogramms (EKG), bei welchem
als Sensoren beispielsweise Elektroden auf der Haut eines Patienten
positioniert werden, um die Herzströme mit einer entsprechenden
Erfassungseinheit aufzuzeichnen und/oder zur Anzeige zu bringen.
Weitere Anwendungen sind auch die Erfassung von Hirnströmen (EEG)
oder auch die Ableitung von Triggersignalen aus analogen Biosignalen
aus dem Körper
eines Patienten, z. B. um jegliche Art von medizinischem Gerät zu triggern,
wie z. B. Computertomografen.
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Bei
der Erfassung von Biosignalen, also analogen elektrischen Signalen
von dem Körper
eines Lebewesens, wie beispielsweise des Menschen oder auch eines
Tieres, wird es gefordert, dass zum Schutz dieses Lebewesens eine
galvanische Schutztrennung zwischen Erfassungseinheit und den Sensoren
vorgesehen ist, um zu gewährleisten,
dass in einem möglichen
Fehlerfall auftretende Ströme
nicht an das Lebewesen geleitet werden.
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Erfassungseinheiten
im Sinne der Erfindung können
hierbei jegliche Anlagen oder Geräte sein, mit denen es möglich ist,
die analog aufgenommenen Biosignale zu erfassen und z. B. weiter
zu verarbeiten. Hierbei kann eine Weiterverarbeitung analog oder
auch digital erfolgen.
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Bislang
ist es dabei im Stand der Technik bekannt, die galvanische Schutztrennung
im analogen Teil der Weiterleitung der analogen Biosignale zu realisieren.
Dies ist jedoch aufwendig und erfordert für jedes analoge Signal eine
separate Schutztrennung. Gerade bei der Erfassung eines EKG oder
EEG wird somit eine Vielzahl von Schutztrennungen nötig. Eine weitere
Signalverarbeitung, wie beispielsweise eine nachträgliche Analog-Digital-Wandlung
ist bei diesem bekannten Verfahren erst nach der genannten Schutztrennung
vorgesehen.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
bereitzustellen, mit dem auf einfache Art und Weise mehrere analoge
elektrische Biosignale mittels Sensoren und dann von einer Erfassungseinheit
erfasst werden können
und die eine sichere Schutztrennung zum Schutz eines Lebewesens
bei verfahrens- und vorrichtungstechnisch einfacher Weiterverarbeitung
ermöglicht.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Erfassung von Biosignalen
mittels einer Erfassungseinheit, bei dem mehrere analoge elektrische
Biosignale von mehreren Sensoren erfasst werden, das sich erfindungsgemäß dadurch
auszeichnet, dass jedes der analogen Biosignale in das jeweilige
Biosignal repräsentierende
digitale Daten gewandelt wird, die digitalen Daten der mehreren
Biosignale zu wenigstens einem seriellen digitalen Datenstrom auf
wenigstens einer digitalen Datenleitung zusammengefügt werden,
wobei die wenigstens eine digitale Datenleitung eine galvanische
Schutztrennung aufweist und der wenigstens eine serielle digitale
Datenstrom nach der galvanischen Schutztrennung in ein mit der Erfassungseinheit,
insbesondere mit einer digitalen Datenverarbeitungsanlage kompatibles
Schnittstellenprotokoll, insbesondere ein Standart-Schnittstellenprotokoll
gewandelt wird.
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So
ist es ein wesentlicher Kerngedanke des hier vorgestellten erfindungsgemäßen Verfahrens, dass
nicht mehr wie im Stand der Technik üblich in jedem der mehreren
vorgesehenen analogen Signalwege jeweils eine galvanische Schutztrennung
vorzusehen ist, sondern dass hier vielmehr jedes der analogen Biosignale
zunächst
digitalisiert wird und die digitalen Daten, die sodann jedes Biosignal
repräsentieren,
zu wenigstens einem seriellen Datenstrom auf wenigstens einer digitalen
Datenleitung zusammengefasst werden. Hierdurch wird vorteilhafterweise
erreicht, dass eine geringere Anzahl von digitalen Datenleitungen
als die Anzahl der Leitungen für
die analogen Biosignale eine Schutztrennung aufweisen muss.
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So
können
bevorzugt mit diesem Verfahren oder einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
EKG, EEG und besonders bevorzugt EMG Signale erfasst und verarbeitet
werden.
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Im
bevorzugten Fall können
hierbei sämtliche
digitalen Daten, die die mehreren Biosignale repräsentieren,
zu einem einzigen seriellen digitalen Datenstrom zusammengefasst
werden, der somit nur noch auf einer einzigen digitalen Datenleitung
transportiert wird, so dass zur Durchführung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens
demnach auch nur noch eine einzige galvanische Schutztrennung bei
dieser digitalen Datenleitung erforderlich wird. Bei einer sehr
hohen Anzahl von mehreren Biosignalen kann es jedoch auch vorgesehen
sein, statt nur einer digitalen Datenleitung, auf der alle Daten
zusammengefasst sind, mehrere digitale Datenleitungen zur Verfügung stehen,
auf denen jeweils ein Teil der mehreren erfassten Biosignale als
zusammengefasster serieller Datenstrom zusammengefügt wird.
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So
ist es gemäß der Erfindung
weiterhin vorgesehen, dass der digitale Datenstrom in bzw. mit der zumindest
einen digitalen Datenleitung galvanisch aufgetrennt wird, so dass
hierdurch jegliche Risiken für
einen an der analogen Seite verkabeltes Lebewesen ausgeschlossen
wird. Der so erzeugte wenigstens eine serielle digitale Datenstrom
wird sodann erfindungsgemäß nach der
galvanischen Schutztrennung weiterhin noch in ein mit einer Erfassungseinheit
kompatibles Schnittstellenprotokoll gewandelt. Dies hat darüber hinaus
den besonderen Vorteil, dass als Erfassungseinheit, insbesondere
Datenverarbeitungsanlage, handelsübliche Computer, sogenannte
PCs eingesetzt werden können,
die eine Vielzahl standardisierter Schnittstellen aufweisen.
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Die
galvanische Schutztrennung kann in bzw. mit der wenigstens einen
digitalen Datenleitung derart realisiert sein, dass die gesamte
oder ein Teil der wenigstens einen Datenleitung als optische digitale
Datenleitung ausgebildet ist. Ebenso ist es möglich die wenigstens eine digitale
Datenleitung als reine elektrische digitale Datenleitung auszubilden,
innerhalb der ein optischer Koppler angeordnet ist, um zumindest
an einer Stelle der ansonsten elektrischen Leitung die Schutztrennung
vorzunehmen. Vor und hinter dieser Schutztrennung erfolgt somit
mit der wenigstens einen digitalen Datenleitung ein elektrischer Datentransport.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
besteht so die Möglichkeit,
vor der Wandlung der seriellen digitalen Daten in das mit einer
Erfassungseinheit, insbesondere digitalen Datenverarbeitungsanlage
kompatible Schnittstellenprotokoll diese seriellen digitalen Daten
gemäß eines
beliebigen, vom Anwender gewünschten
seriellen Daten-Protokolls zu transportieren. Ein derartiges Protokoll,
welches die Zusammensetzung des seriellen digitalen Datenstroms
definiert, kann daher von einem Anwender des Verfahrens oder einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung
an den jeweiligen Anwendungsfall, also z. B. die Art der erfassten
Biosignale, angepasst werden.
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Dabei
kann weiterhin aufgrund der Verwendung eines insbesondere standardisierten
Schnittstellenprotokolls nach der Wandlung der Anschluss an eine übliche digitale
Datenverarbeitungsanlage z. B. PC gewährleistet werden und so z.
B. mit einem handelsüblichen
PC die digitalisierten Biosignale weiter verarbeitet werden, beispielsweise
zur Anzeige gebracht, gespeichert und ausgewertet werden können.
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Hierbei
können
für die
Wandlung der seriellen digitalen Daten in das gewünschte Schnittstellenprotokoll
derartige Schnittstellenprotokolle und Schnittstellenanschlüsse ausgewählt werden,
die geeignet sind, um die entsprechend hohen Datenraten und die
Menge der Daten verarbeiten zu können.
Beispielsweise erscheinen die Schnittstellen nach dem Standard USB,
Firewire oder anderer ähnlich
schneller PC-Schnittstellen hierfür geeignet.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann beispielsweise durchgeführt
werden mit einer Vorrichtung zur Erfassung von Biosignalen, die
wenigstens einen Analog-Digital-Wandler
umfasst mit einer wenigstens der Anzahl von mit Sensoren zu erfassenden
Biosignalen korrespondierenden Anzahl von Wandlereingängen und
Wandlerausgängen
zur Analog-Digital-Wandlung der erfassbaren analogen Biosignale
sowie mit wenigstens einem Multiplexer zur Wandlung der die Biosignale
repräsentierenden
digitalen Daten in einen seriellen digitalen Datenstrom, insbesondere
gemäß eines
beliebigen gewünschten Datenprotokolls,
sowie mit wenigstens einer elektrischen digitalen Datenleitung zur Übertragung
des wenigstens einen digitalen Datenstroms mit wenigstens einer
galvanischen Schutztrennung, die innerhalb oder mittels der wenigstens
einen Datenleitung für
den digitalen Datenstrom ausgebildet ist und weiterhin mit wenigstens
einem Schnittstellenbaustein, mit dem der serielle Datenstrom in
einen schnittstellenprotokollkonformen elektrischen Datenstrom für eine Erfassungseinheit,
insbesondere eine digitale Datenverarbeitungsanlage wandelbar ist.
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Hierbei
kann es in einer bevorzugten Ausführung einer solchen Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Multiplexer
durch einen programmierbaren bzw. fest programmierten Mikrocontroller/Mikroprozessor realisiert
ist. So kann es demnach vorgesehen sein, dass die digitalen Daten
der Biosignale, die zuvor beispielsweise mit wenigstens einem mehrkanaligen Analog-Digital-Wandler
digitalisiert wurden, mittels dieses Mikrocontrollers bzw. Mikroprozessors
in den wenigstens einen seriellen digitalen Datenstrom gewandelt
werden.
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Insbesondere
die Verwendung eines programmierbaren bzw. programmierten Mikrocontrollers/Mikroprozessors
ist hier vorteilhaft, da dieser seiner Programmierung entsprechend
dafür Sorge
tragen kann, dass die jeweiligen analogen Biosignale nach ihrer
Digitalwandlung an dem Analog-Digital-Wandler abgefragt werden,
wobei bevorzugt die Abfrage der mehreren jeweils einem Biosignal
entsprechenden digitalen Daten zeitlich nacheinander erfolgen kann,
wodurch die Möglichkeit
besteht, aus diesen digitalen Daten einen entsprechenden seriellen
Datenstrom zu erstellen.
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Hierbei
kann es in einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen sein, dass
dem Multiplexer bzw. in der bevorzugten Ausführung der Mikrocontroller oder
Mikroprozessor ein Speicherbaustein zugeordnet ist. So kann der
Mikrocontroller bzw. Mikroprozessor oder in allgemeiner Form der
Multiplexer mit einem solchen Speicherbaustein kommunizieren, um die
digitalisierten Daten und/oder die bereits seriell umgesetzten digitalen
Daten vor der Wandlung in das insbesondere standardisierte Schnittstellenprotokoll
und insbesondere auch vor einer galvanischen Schutztrennung zu speichern.
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Hierbei
kann es vorgesehen sein, dass ein solcher Speicher als Ringspeicher
organisiert ist, was besonders dann vorteilhaft ist, wenn dieser
Speicher dazu dient, die bereits in einen seriellen Datenstrom umgesetzten
digitalen, die Biosignale repräsentierenden
Daten zu speichern. So können
insbesondere Zeitabweichungen bzw. Datenratenabweichungen bei der
Erfassung von Biosignalen und bei der Wandlung in das Schnittstellenprotokoll
ausgeglichen werden, da beispielsweise bei einer höheren Erfassungsdatenrate
als Wandlungsrate die erfassten digitalen Daten zunächst in
diesem Ringspeicher zwischengespeichert werden können und sodann insbesondere
auf Abruf für
die Wandlung in das Schnittstellenprotokoll aus diesem Ringspeicher
zur Verfügung
stehen.
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Hierbei
kann es vorgesehen sein, dass der eingangs genannte Mikrocontroller
bzw. Mikroprozessor dafür
Sorge trägt,
dass eine entsprechende Kommunikation zwischen dem Speicher und
einem Einheit zur Wandlung in das gewünschte Schnittstellenprotokoll
erfolgt.
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In
einer weiterhin bevorzugten Ausführung kann
es vorgesehen sein, dass ein Mikrocontroller/Mikroprozessor die
seriellen Daten über
wenigstens einen seriellen elektrischen Port ausgibt und über wenigstens
einen galvanisch trennenden Koppler an wenigstens einen elektrischen
Eingangsport eines Schnittstellenbausteins sendet, der die Wandlung
in das Schnittstellenprotokoll durchführt und weiterhin auch die
elektrischen Kontakte für
eine protokollspezifische Schnittstelle bereitstellt, an die die Erfassungseinheit,
insbesondere die digitale Datenverarbeitungsanlage, wie z. B. ein
PC, anschließbar ist.
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Bevorzugt
ist dabei der Schnittstellenbausstein eingereichtet, um die empfangenen
Daten, bzw. den empfangenen seriellen Datenstrom in einen Datenstrom
umzusetzen, der einem Standard-Schnittstellenprotokoll entspricht,
z. B. bevorzugt USB oder Firewire.
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Diese
Arten von Standard-Schnittstellen haben darüber hinaus den Vorteil, dass über die Schnittstellenleitungen
zwischen einer Datenverarbeitungsanlage und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
auch die Energie zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung bezogen werden
kann. Hierbei kann es dann erfindungsgemäß vorgesehen sein, die innerhalb
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
ebenfalls eine Schutztrennung der Versorgungsspannung vorzusehen,
z. B. als DC/DC.Wandler. Alternativ können entsprechend schutzgetrennte Netzteile
verwendet werden zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Weiterhin
ist der Vorteil dieser genannten Schnittstellen, dass Datenraten
von mehr als 2 MBits/Sek. Übertragen
werden können.
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So
wird bei dieser Ausführung
zwischen dem seriellen Port des Mikroprozessors und dem Eingangsport
des genannten Schnittstellenbausteins eine elektrische digitale
Datenleitung realisiert, in der weiterhin der galvanisch trennende
Koppler angeordnet ist. Ein solcher galvanisch trennender Koppler kann
dabei beispielsweise als Optokoppler ausgebildet sein. Hierbei kann
ein entsprechend standardisiertes galvanisch trennendes Kopplerbauelement zum
Einsatz kommen, welches wenigstens eine so große Anzahl von Kanälen zur
Verfügung
stellt, wie auch digitale Datenleitungen bei der Durchführung des
Verfahrens bzw. bei der realisierten Vorrichtung vorhanden sind.
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Alternativ
können
die beiden genannten Ports auch optische Ports sein, so dass eine
digitale Datenleitung optisch, z. B. als Faser ausgebildet sein kann.
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Neben
einer rein unidirektionalen Betriebsweise eines solchen galvanisch
trennenden Kopplers für
die Weiterleitung der Daten oder einer optischen Leitung von einem
seriellen Port zum Eingangsport eines Schnittstellenbausteins kann
es in einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens sowie auch
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
auch vorgesehen sein, dass von einer Datenverarbeitungsanlage kommende
protokollkonforme Daten wie beispielsweise Befehle zur Steuerung
oder Programmierung des Mikrocontrollers/Mikroprozessors in einen
seriellen Datenstrom gewandelt werden und dieser Datenstrom über wenigstens
eine digitale Datenleitung mit galvanischer Schutztrennung an wenigstens
einen Eingangsport des wenigstens einen Mikrocontrollers/Mikroprozessors
geleitet wird.
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Bei
einer solchen Durchführung
des Verfahrens kann z. B. demnach ein eingangs genannter galvanischer
Kopplerbaustein auch bidirektional betrieben werden, wobei in einer
Richtung Biosignale repräsentierende
Daten von dem Mikrocontroller/Mikroprozessor zu dem wenigstens einen
Schnittstellenbaustein transportiert werden und/oder auch Statusdaten über den
Betrieb z. B. des Mikroprozessors und der durch den Mikroprozessor
gesteuerten Einheiten der Vorrichtung und wobei in der anderen Richtung
Steuer- bzw. Programmierungsdaten von dem wenigstens einen Schnittstellenbaustein
an den wenigstens einen Mikrocontroller/Mikroprozessor transportiert
werden.
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Bevorzugt
sind die digitalen Datenleitungen für die verschiedenen Richtungen
voneinander getrennt und können
so ausgeführt
sein, wie zuvor zu der einen Richtung beschrieben.
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Es
kann so ein besonders universelles erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden,
da die Möglichkeit
besteht, auch von außen,
beispielsweise über
die vorgesehene Datenverarbeitungsanlage, den Mikroprozessor umzuprogrammieren
oder diesem für
den Betrieb benötigte
Daten zur Verfügung
zu stellen. So wird in der Kommunikation in beiden Richtungen zwischen
Mikrocontroller/Mikroprozessor und dem Schnittstellenbaustein die
notwendige galvanische Schutztrennung realisiert.
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Erfindungsgemäß kann es
weiterhin vorgesehen sein, dass eine Vorrichtung gemäß der Erfindung
als eine in sich abgeschlossene Einheit, z. B. als ein Modul ausgeführt ist,
an welches lediglich wenigstens einem Kabel wenigstens ein Sensor
zur Aufnahme der Biosignale und ein Schnittstellenkabel von einem
Computer anschließbar
ist, z. B. USB oder Firewire. Die Stromversorgung erfolgt, wie eingangs genannt
dann bevorzugt über
das Schnittstellenkabel vom Computer.
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Eine
hardwareseitig an dieser Einheit realisierte Schnittstelle weist
sodann bevorzugt 4 elektrische Kontakte auf, 2-mal für Daten
und 2-mal für
die Stromversorgung, ggfs auch nur 2 Kontakte für die Daten, über welche
gleichzeitig die Stromversorgung erfolgt.
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Die
genannte galvanische Trennung erfolgt vollständig innerhalb dieser Einheit.
Alternativ kann eine separate jedoch ebenso schutzgetrennte Stromversorgung über separates
Netzteil erfolgen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
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1:
eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens
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2a:
das elektrische Schaltbild einer möglichen Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens mit Darstellung der elektrischen Verbindungen von den
Signaleingängen
bis zu einem Mikroprozessor
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2b:
das elektrische Schaltbild einer möglichen Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens mit Darstellung der elektrischen Verbindungen von einem
Mikroprozessor bis zu USB-Schnittstellenbausteinen
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Die 1 zeigt
in einer Blockdarstellung die Erfassung mehrerer Biosignale als
analoges Strom- oder Spannungssignal, wobei hier die verschiedenen möglichen
Biosignale B1–BN über die
hier symbolisch dargestellten Sensoren S von einem Lebewesen, wie
beispielsweise einem Menschen, erfasst werden. Es kann hier im Signalweg,
beispielsweise schon im analogen Teil des Signalwegs, vorgesehen sein,
das analog erfasste Signal weiter zu verarbeiten, beispielsweise
zu verstärken,
zu filtern oder sonstige Signalkonditionierung vorzunehmen.
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Es
ist sodann vorgesehen, die einzelnen Signale der hier zunächst insgesamt
vorgesehenen N-Signalleitungen in dieser beispielhaften und bevorzugten
Ausführung
auf nur noch eine Signalleitung L zusammenzuführen, wofür es vorgesehen ist, jedes der
analogen Signale zu digitalisieren und die sodann digitalisierten,
das jeweilige Biosignal darstellenden Daten seriell hintereinander
anzuordnen und somit als digitalen seriellen Datenstrom über die
Leitung L zu schicken. Dabei ist in dieser Ausführung beispielhaft nur eine
Datenleitung L gezeigt.
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Hierbei
kann die serielle Hintereinanderanordnung der Daten grundsätzlich in
beliebiger Art und Weise erfolgen, so, wie es ein Anwender des Verfahrens
im Einzelfall wünscht.
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Erfindungsgemäß ist es
sodann weiterhin vorgesehen, in dem digitalen Leitungsweg L eine
galvanische Schutztrennung ST vorzusehen, die beispielsweise optisch
erfolgen kann und so sicherzustellen, dass ein Lebewesen, welches
an die verschiedenen Sensoren S angeschlossen ist, selbst im Fehlerfall
vor jeglichen Strömen
oder Spannungen zu schützen. Über den
galvanisch getrennten weiteren Leitungsteil L2 werden sodann die
seriellen digitalen Daten weiter transportiert und gemäß eines
gewünschten
Schnittstellenprotokolls in einen Datenstrom gewandelt und auf elektrische
Kontakte einer gängigen
Schnittstelle gelegt, wie beispielsweise einer USB-Schnittstelle
oder einer Firewire-Schnittstelle, so dass an einen entsprechend
hierfür
eingesetzten Wandler W und an die somit bereitgestellte standardisierte
Schnittstelle beispielsweise ein handelsüblicher PC angeschlossen werden
kann, um die Daten weiterzuverarbeiten, wie beispielsweise anzuzeigen,
auszuwerten oder sonstige Verarbeitungen vorzunehmen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
bzw. eine hierfür
vorgesehene Vorrichtung hat demnach den besonderen Vorteil, dass
mit handelsüblichen
PCs eine solche Datenweiterverarbeitung vorgenommen werden kann,
wobei nur eine geringe Anzahl von Schutztrennungen, insbesondere
nur eine einzige Schutztrennung im Signalweg nötig wird, da sämtliche
separaten Biosignale gemultiplext als digitale Daten über diese
mit einer Schutztrennung versehene Leitung L bzw. L2 transportiert
werden.
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Die 2a und 2b zeigt
eine mögliche elektronische
Realisierung einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Erkennbar
ist hier in der 2a linksseitig eine Anzahl von
insgesamt 18 Leitungen, die als Kanäle CH1–CH18 bezeichnet sind. Diese
Kanäle
dienen zur Weiterleitung eines analogen elektrischen Biosignals,
welches von einem Lebewesen, wie beispielsweise einem Menschen,
aufgenommen werden kann. Hierfür
können an
diese Kanäle
entsprechende Sensoren, wie beispielsweise Elektroden z. B. über Kabel
angeschlossen werden, was im vorliegenden Fall in dieser Darstellung
nicht weiter gezeigt ist.
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Neben
entsprechenden weiteren Steuerleitungen sind die jeweiligen Kanäle zur Erfassung
von hier insgesamt 18 Biosignalen an insgesamt drei Analog-Digital-Wandler angeschlossen,
die als Mikrochips mit den Bezeichnungen U1, U2 und U3 in dieser
Schaltung ausgebildet sind. Hierfür können als AD-Wandler z. B. die
Bausteine ADS 8364 zum Einsatz kommen. Ersichtlich ist es hier,
dass mit jedem der AD-Wandler eine 8-bit-Digitalwandlung stattfindet,
wobei demnach jeder der Analog-Digital-Wandler einen 8-bit-breites
paralleles Datenbyte zur Verfügung
stellt, wobei jedes Datenbyte dem digitalisierten Wert eines analogen,
an den Kanälen
anliegenden Biosignals mit einer Auflösung von 256 Einheiten entspricht.
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Hierfür werden üblicherweise
zeitlich nacheinander oder gleichzeitig die an den jeweils an einem Analog-Digital-Wandler
angeschlossenen Kanäle
anliegenden Biosignale digitalisiert und auf einen gemeinsamen Datenbus
D0–D7 übertragen,
mittels dem diese 8-bit-breiten digitalisierten Daten von einem
Mikrocontroller U4 abgeholt und weiter verarbeitet werden können. Hierbei
kann es vorgesehen sein, dass der Mikrocontroller U4 die Analog-Digital-Wandler
U1, U2 und U3 sowie den zeitlichen Ablauf steuert, um die Digitalisierung
der jeweiligen elektrischen Signale an den Kanälen Ch1–Ch18 vorzunehmen und die jeweils
digitalisierten 8-bit-breiten
Datenbytes zu empfangen und weiterzuverarbeiten.
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Die
Weiterverarbeitung erfolgt hierbei derart, dass die empfangenen
Daten seriell nacheinander auf wenigstens eine Datenleitung, im
vorliegenden Fall auf zwei Datenleitungen D1B und D2B aufgeschaltet
werden. Hierfür
stellt der Mikrocontroller zwei Ausgangsports PE1 und PE2 zur Verfügung. Der
so erzeugte serielle digitale Datenstrom auf diesen beiden Datenleitungen,
die den Leitungen L in der 1 entsprechen,
gelangen so zu einem galvanischen Koppler U7 und werden nach der
galvanischen Trennung innerhalb dieses Kopplers U7 über die
Leitungen D1A und D2A weitergeleitet an die Eingangsports BD1 und
BD0 eines Schnittstellenbausteins U8, z. B. vom Typ DLP2232.
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Dieser
Baustein ist hier geeignet, um die auf den Datenleitungen D1A und
D2A, welche den Leitungen L2 in der 1 entsprechen,
in ein USB-protokollkonformes
Datenformat zu wandeln und mittels eines USB-Steckers J1 für den Anschluss
eines üblichen
PC zur Verfügung
zu stellen.
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So
wird hier deutlich, dass in dieser Ausführung die insgesamt 18 verschiedenen
Kanäle
zur Erfassung von analogen Biosignalen auf lediglich zwei Leitungen
D1B/D2B reduziert werden, was durch die serielle Wandlung der digitalisierten
Biosignaldaten möglich
ist. Es reicht daher im vorliegenden Fall aus, einen galvanischen
Koppler U7 einzusetzen, der im vorliegenden Fall zwei Kanäle zur Verfügung stellt, um
die galvanische Schutztrennung in dieser einen Richtung innerhalb
dieser beiden Leitungen zu realisieren.
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Die
hier dargestellte elektronische Schaltung zeigt darüber hinaus
noch mit dem Speicherbaustein U5 einen Speicher, der die Möglichkeit
bietet, die von den Analog-Digital-Wandlern erhaltenen 8-bit-breiten Daten
zwischenzuspeichern. Diese Zwischenspeicherung kann dabei beispielsweise
gleich in der Form des seriellen Datenstroms erfolgen, der hier über die
Datenleitungen D1B und D2B geleitet werden soll. Im vorliegenden
Fall kann der Speicher U5 beispielsweise als Ringspeicher organisiert
sein, so dass die zunächst
in diesen Speicher eingeschriebenen Daten als erstes auch wieder
diesem Speicher entnommen werden.
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Das
hier dargestellte elektronische Schaltbild zeigt darüber hinaus
einen weiteren Baustein zur Realisierung einer galvanischen Schutztrennung,
mit der eine Kommunikation zwischen dem Schnittstellenbaustein U8
und dem Mikrocontroller U4 auch in der anderen Richtung möglich ist.
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So
können
von einem PC über
die hier realisierte USB-Schnittstelle an die erfindungsgemäße Vorrichtung
gesandte Daten in dem Schnittstellenbaustein U8 in einen seriellen
Datenstrom gewandelt werden, der hier über die Ausgangsports BD2 und BD3
an die Datenleitungen DIA und D2A bzw. D1B und D2B und über den
galvanischen Koppler U6 in Richtung des Mikrocontrollers U4 gesendet
wird. So kann der Mikrocontroller U4 über dieselbe realisierte Schnittstelle
J1 zu einem PC auch von außen
programmiert werden oder es kann ein sonstiger Einfluss auf die
erfindungsgemäße Vorrichtung
genommen werden.
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Das
elektronische Schaltbild zeigt hier deutlich, dass mit elektronischen
Standardbauteilen eine Reduktion von insgesamt 18 Eingangskanälen zu 2 Ausgangskanälen erfolgen
kann, so dass nunmehr nur noch statt wie bisher in 18 Eingangskanälen in diesen
zwei Ausgangskanälen
die Schutztrennung erfolgen muss. Dies reduziert deutlich den Aufwand, der
für die
Schutztrennung vorgenommen werden muss und ermöglicht dabei weiterhin noch
erfindungsgemäß die Bereitstellung
der digitalisierten Biosignale an einer standardisierten Schnittstelle
eines Computers.
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Erkennbar
ist hier weiterhin, dass eine Stromversorgung über den Baustein U9 erfolgt,
bei dem über
einen internen DC/DC-Wandler die benötigte Schutztrennung erfolgt.
Verwendet wird dabei die Stromversorgung über die Leitung PortVCC, mittels
der auch der Schnittstellenbaustein U8 mit der nötigen Energie versorgt wird.
So kann demnach die externe Energieversorgung aus einem USB-Kabel auch
verwendet werden, um eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu
versorgen.
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Die
gesamte hier dargestellte Schaltung kann innerhalb eines Gehäuses realisiert
sein, welches Eingangskanäle
für die
Sensorsignale bereitstellt sowie eine USB-Schnittstelle, mittels der der Datentransport
zwischen Computer und dieser Vorrichtung sowie die Stromversorgung
erfolgt.
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Die
weiterhin in dieser elektronischen Schaltung dargestellten Bauteile
stellen übliche
Bauteile zur Realisierung einer elektronischen Schaltung dar und
sind für
die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens an sich von
keiner weiteren Relevanz.
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Die
Wandlung der Daten kann z. B. konkret wie folgt ablaufen: Ein Taktsiganl
wird auf die drei A/D-Wandler U1, U2, U3 gegeben, die synchron alle 18
Kanäle
Ch1 bis Ch18 sampeln. Zeit zur Verarbeitung der gesampelten Daten
verbleibt bis zum nächsten
Abtastzeitpunkt. Bei einer beispielhaften Takterate von 4 kHz sind
dies 0.25 ms. Arbeit beispielsweise der Mikroprozessor U4 mit einer
Taktfrequenz von 16 MHz, so verbleiben diesem für diese Arbeit 4000 Taktzyklen.
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Der
Reihe nach werden dabei die A/D-Wandler abgefragt, die jeweils 6
Kanäle
bedienen. Die Datenübertragung
erfolgt dabei über
die 8 Datenleitungen D0 bis D7 des gemeinsamen Datenbusses parallel
zum Mikrocontroller U4. Dabei werden die vom ND-Wandler kommenden
Daten direkt in den Ringspeicher U5 eingeschrieben. Da der Ringspeicher
einen 16 Bit breiten Datenbus aufweist ergibt dies eine Datenrate
von 18 Kanälen × 16 Bit × 4 kHz
= 1.152 MBit/sek. Der Ringspeicher hat z. B. 64 kByte und kann somit
ca. 0,45 Sekunden lang Daten zwischenspeichern.
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Aus
dem Ringspeicher werden die Daten dann über den galvanischen Trenner
zum USB-Chip übertragen,
wie zuvor beschrieben. Sollte es dabei zu Stockungen kommen, können diese
durch den Speicher ausgeglichen werden. Der Einsatz des Speichers
hilft dabei die maximal mögliche
Datenrate zu erhöhen.
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Der
USB-Chip ist bevorzugt kein USB-RS232-Konverter wie sie üblicherweise
verwendet werden. RS232 ist asynchron und bietet nur Übertragungsraten < 900 KByte/Sek was
für diesen Fall
nicht ausreicht. Genutzt wird hier der "Fast Opto-Isolated Serial Interface
Mode" z. B. des USB-Controllers
FT2232. Diese Übertragung
benutzt 4 Datenleitungen (die über
die Optokoppler laufen): Daten Mikrocontroller->USB, Daten USB->Mikrocontroller, Takt (vom Mikrocontroller)
und ein Signal welches die Bereitschaft des USB-Controllers zum Datenempfang anzeigt.
Der verwendete Modus ist Halb-Duplex, es können also nicht gleichzeitig
Daten gesendet und empfangen werden.
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Da
das Protokoll nur Halbduplex ist und das Umschalten der Datenrichtung
auch Zeit kostet, wird hier bevorzugt ein Datenprotokoll gewählt, bei
dem die Messdaten quasi kontinuierlich zum PC übertragen werden. Etwa 4× pro Sekunde
folgt ein kurzes Handshake bei dem der PC Daten an den Mikrocontroller
schickt. Dass kann dazu benutzt werden um z. B. die Messung zu stoppen
oder die 4 Digitalen Ein-/Aus-Gänge
zu schalten. Den Rest der Zeit sendet die Messschaltung Daten, sofern
eine Messung läuft.
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Der
Datenstrom über
die USB-Schnittstelle kann PC-seitig von geeigneten DLL-Schnittstellenroutinen
abgefragt werden und z. B. in Programmiersprachen wie Visual-C,
C# oder MatLab verarbeitet werden.
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Bezüglich sämtlicher
Ausführungen
ist festzustellen, dass die in Verbindung mit einer Ausführung genannten
technischen Merkmale nicht nur bei der spezifischen Ausführung eingesetzt
werden können,
sondern auch bei den jeweils anderen Ausführungen. Sämtliche offenbarten technischen
Merkmale dieser Erfindungsbeschreibung sind als erfindungswesentlich
einzustufen und beliebig miteinander kombinierbar oder in Alleinstellung
einsetzbar.