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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung von elektrischen Potentialen, beispielsweise des Körpers eines Patienten, mit einer Mehrzahl von Messeingängen zur Verbindung mit Messelektroden, die am Körper eines Patienten platziert werden können, mit einer Mehrzahl von Messverstärkern, die einen ersten und einen zweiten Eingang sowie einen Ausgang aufweisen, und mit einer Summiereinheit, die mit den Ausgängen der Messverstärker verbunden ist und die ausgestaltet ist, ein Signal proportional zu dem Mittelwert der Signale der Ausgänge der Messverstärker an einem Ausgang der Summiereinheit auszugeben, wobei jeder der Messeingänge mit einem ersten Eingang eines Messverstärkers verbunden ist und wobei der zweite Eingang jedes Messverstärkers mit dem Ausgang der Summiereinheit verbunden ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erfassung von elektrischen Potentialen.
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Wenn beispielsweise auf der Haut eines Patienten elektrische Potentiale gemessen werden sollen und das in diesen Potentialen enthaltene Nutzsignal lediglich im μV-Bereich liegt, wie dies bei einem Elektrokardiogramm (EKG), einem Elektromyogramm (EMG), bei der Elektroenzephalografie (EEG) oder der Elektrookulografie (EOG) der Fall sein kann, ergeben sich die folgenden Probleme.
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Da der Körper des Patienten von elektrischen Feldern umgeben ist, bilden sich allein deswegen durch kapazitive Kopplung auf der Haut des Patienten Potentiale aus. Dieser Effekt lässt sich allgemein in der Weise beschreiben, dass der Körper kapazitiv insbesondere an ein 230 V/50 Hz-Wechselspannungsfeld, was durch sich in der Umgebung des Patienten befindliche Netzspannungsquellen verursacht ist, angekoppelt ist. Aus Sicherheitsgründen ist es allerdings nicht zulässig, den Patienten selbst an eine einheitliche Umgebungsmasse anzukoppeln, da dies ein erhebliches Risiko für den Patienten mit sich brächte.
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Darüber hinaus muss ebenfalls aus Sicherheitsgründen auch ein Messgerät, mit dem die Elektroden auf der Haut des Patienten verbunden sind, von einer Umgebungsmasse galvanisch getrennt sein. Daraus ergibt sich wiederum, dass auch das Messgerät mit seiner internen Masse kapazitiv an die Umgebung angekoppelt ist, so dass das Problem entsteht, dass die Gerätemasse auf einem Potential liegt, dessen Höhe nicht bekannt ist und das sich allgemein von dem Potential des Patienten unterscheidet.
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Um nun zumindest zu erreichen, dass der Patient und die Masse des Messgeräts auf demselben Potential liegen oder zumindest zwischen beiden eine feste Potentialdifferenz vorliegt, ist es bekannt, die Gerätemasse und den Körper des Patienten über eine zusätzliche Elektrode miteinander zu verbinden.
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Da aber die Gerätemasse und der Patient aufgrund der Inhomogenität der umgebenden Felder allgemein auf einem unterschiedlichen Potential liegen können, was sich aus der unterschiedlichen kapazitiven Ankopplung an die Umgebung ergibt, fließt ein Ausgleichsstrom, der aufgrund der Impedanz der Kopplung an den Patienten über die Elektrode zu einem sogenannten Gleichtaktsignal führt, das von den Verstärkern im Messgerät mit verstärkt wird. Wenn die eigentlich mit der Messung zu erfassen den Nutzsignale sehr klein sind, führt das Gleichtaktsignal dazu, dass das eigentliche Nutzsignal nicht mehr aufgelöst werden kann. Darüber hinaus ergibt sich die Schwierigkeit, dass die Verstärker einen hohen Eingangsdynamikbereich haben müssen, damit das Nutzsignal und das dieses überlagernde höhere Gleichtaktsignal verarbeitet werden können. Des Weiteren muss eine nachgeschaltete digitale Auswerteelektronik eine hohe Zahl von Bits pro Messwert bereitstellen, um die großen Signale verarbeiten zu können.
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Dazu ist es aus Bruce B. Winter et al., Driven-Right-Leg Circuit Design, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. BME-30, No. 1, January 1983, bekannt, die zusätzliche, an dem Patienten angebrachte Elektrode durch das Messgerät mit einem Potential zu beaufschlagen, das dem Mittelwert der an den Messelektroden erfassten Signale entspricht, wobei dieses Mittelwertsignal noch verstärkt wird. Um auf diese Weise das Gleichtaktsignal signifikant zu unterdrücken, sind hohe Verstärkungen für das Mittelwertsignal erforderlich, was schwierig zu realisieren ist. Insbesondere ergibt sich das Problem, dass es bei hohen Verstärkungen zu Oszillationen im ausgegebenen Signal kommt.
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Außerdem ist es aus der
DE 29 26 165 A1 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ferner bekannt, den Mittelwert der Signale, die von den Verstärkern ausgegeben werden, von den Eingangssignalen der Verstärker abzuziehen. Hierbei besteht aber das Problem, dass das Gleichtaktsignal zwar nicht verstärkt, aber dennoch zusammen mit dem Nutzsignal am Ausgang des Verstärkers ausgegeben wird. Wenn das Nutzsignal extrem klein ist, kann dies dazu führen, dass die Höhe des Gleichtaktsignals und die des verstärkten Nutzsignals in der gleichen Größenordnung sind, so dass diese nicht ohne Weiteres voneinander getrennt werden können. Außerdem besteht das Problem, dass die Verstärker und eine nachgeschaltete Auswerteelektronik angepasst sein müssen, auch das vergleichsweise große Gleichtaktsignal weiter zu verarbeiten.
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Davon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Messeinrichtung zur Erfassung von Potentialen derart auszugestalten, dass Gleichtaktsignale zuverlässig aus dem Signal entfernt werden.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Einrichtung einen Potentialausgang zur Verbindung mit einer Elektrode, die am Körper des Patienten platziert werden kann, aufweist und dass ein erster Verstärker vorgesehen ist, dessen Eingang mit dem Ausgang der Summiereinheit verbunden ist und dessen Ausgang mit dem Potentialausgang verbunden ist.
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Damit wird bei der erfindungsgemäßen Einrichtung das Mittelwertsignal, das von der Summiereinheit ausgegeben wird, zum einen zu dem zweiten Eingang jedes Messverstärkers zurückgeführt und dort von dem unmittelbar erfassten Eingangssignal subtrahiert, wodurch eine erste Reduktion des Gleichtaktsignalanteils in dem an den Messverstärkern ausgegebenen Ausgangssignal erreicht wird. Zum anderen wird das Mittelwertsignal einem ersten Verstärker zugeführt, dessen Ausgang wiederum mit dem Potentialausgang verbunden ist, der mit einer Zusatzelektrode am Patienten verbunden ist. Dabei wird das Mittelwertsignal verstärkt, was ebenfalls den Effekt hat, dass das Gleichtaktsignal im Ausgangssignal an den Ausgängen der Messverstärker weiter reduziert wird.
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Durch die Kombination dieser beiden Prinzipien kann eine erhebliche Reduzierung des Gleichtaktsignalanteils erreicht werden, ohne dass es dabei erforderlich ist, in dem Zweig zwischen der Summiereinheit und dem Potentialausgang, an dem die Zusatzelektrode angeschlossen ist, eine hohe Verstärkung vorzusehen.
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Schon wenn das Mittelwertsignal unverstärkt auf die Zusatzelektrode gegeben wird, kommt es zu einer Reduktion oder Unterdrückung des Gleichtaktsignals, die doppelt so groß ist wie für den Fall, dass ohne den ersten Verstärker und die Zusatzelektrode gearbeitet wird. Wenn eine moderate Verstärkung von 10 für den ersten Verstärker gewählt wird, wird das Gleichtaktsignal mit einem Faktor 11 stärker unterdrückt als in dem Fall, dass auf den ersten Verstärker verzichtet wird. Somit kann schon mit geringen Verstärkungen in dem Zweig zu der Zusatzelektrode ein erheblicher Effekt erreicht werden. Außerdem wird erreicht, dass das Gleichtaktsignal insgesamt kleiner und der Eingangsspannungsbereich der Messverstärker nicht überschritten wird. Dies kann sonst leicht passieren, wenn das Mittelwertsignal nur zu den Eingängen der Messverstärker rückgekoppelt wird. Dieser Effekt ergibt sich, wie im Zusammenhang mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen noch im Detail beschrieben werden wird, aus dem Zusammenwirken der Rückführung des Mittelwertsignals zu den zweiten Eingängen der Messverstärker und der Zuführung des Mittelwertsignals in verstärkter Form zu der Zusatzelektrode.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Summiereinheit als eine Mikroprozessoreinheit ausgebildet, die programmtechnisch ausgestaltet ist, an einem ersten Ausgang ein Signal auszugeben, dessen Höhe dem Mittelwert der Signale der Ausgänge der Messverstärker entspricht, wobei der Eingang des ersten Verstärkers mit diesem ersten Ausgang der Mikroprozessoreinheit verbunden ist.
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Dabei ist es weiter bevorzugt, wenn die Mikroprozessoreinheit noch einen zweiten Ausgang aufweist, an dem ebenfalls ein Signal ausgegeben wird, dessen Höhe dem Mittelwert der Signale der Ausgänge der Messverstärker entspricht, wobei dieses Signal um einen Faktor V verstärkt ist. An diesem zweiten Ausgang der Mikroprozessoreinheit sind die zweiten Eingänge der Messverstärker angeschlossen, so dass über die Wahl der Verstärkung V die Unterdrückung des Gleichtaktsignals weiter angepasst werden kann.
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Schließlich kann die Summiereinheit auch mittels Analogtechnik dadurch realisiert werden, dass sie einen zweiten Verstärker aufweist, dessen einer Eingang mit den Ausgängen der Messverstärker derart verbunden ist, dass an dem Ausgang des zweiten Verstärkers ein Signal ausgegeben wird, dessen Höhe dem Mittelwert der Signale der Ausgänge der Messverstärker entspricht, d. h. gleich dem Mittelwert oder zumindest proportional dazu ist. Hier ist es für den Fachmann klar, wie eine derartige Mittelwertschaltung analog mit einem Verstärker bzw. Operationsverstärker zu realisieren ist. Darüber hinaus ist dann der Ausgang dieses zweiten Verstärkers mit den zweiten Eingängen der Messverstärker und mit dem Eingang des ersten Verstärkers verbunden, wobei Letzterer dann wiederum mit der Zusatzelektrode am Patienten verbunden werden kann.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegende Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein Verfahren zur Erfassung von elektrischen Potentialen gelöst, wobei die Potentiale als Eingangssignale erfasst, jeweils einem ersten Eingang einer Mehrzahl von Messverstärkern zugeleitet und zu Ausgangssignalen verstärkt werden, wobei ein Mittelwertsignal der Ausgangssignale gebildet wird, dessen Höhe proportional zu dem Mittelwert der Ausgangssignale ist, wobei das Mittelwertsignal zweiten Eingängen der Messverstärker zugeleitet wird und wobei das Mittelwertsignal einem Potentialausgang zugeführt wird, der mit einer Zusatzelektrode verbunden ist. Mit diesem Verfahren sind die schon im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Einrichtung erläuterten Vorteile verbunden.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand einer lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele zeigenden Zeichnung erläutert, wobei
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erfassung von Potentialen und
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2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels zeigt.
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Bei der Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Einrichtung 1 zum Erfassen von Potentialen, in diesem Fall Potentialen auf der Haut eines Patienten 3 (lediglich schematisch gezeigt), wird zunächst durch die Kapazitäten C1, C2, C3 und C4 angedeutet, dass sowohl der Patient 3 als auch das Gehäuse 5, das die Masse m2 der Einrichtung 1 bildet, kapazitiv an die Umgebung und insbesondere an ein 50 Hz-Wechselspannungsfeld angekoppelt sind. Dieses Feld hat zur Folge, dass der Patient 3 einerseits und das Gehäuse 5 bzw. die damit verbundene Gerätemasse m2 der Einrichtung 1 andererseits ein unterschiedliches Potential haben können.
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Die Einrichtung 1 weist eine Mehrzahl von Messeingängen 7 auf, an denen Eingangssignale V1, ..., VN erfasst werden können, wobei die Messeingänge 7 mit Elektroden 9 auf der Haut des Patienten 3 verbunden werden können und die Verbindung zwischen den Messeingängen 7 und der Haut des Patienten 3 eine Impedanz Z1, ..., ZN hat.
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Die Einrichtung 1 weist des Weiteren eine der Anzahl der Messeingänge 7 entsprechende Anzahl von Messverstärkern Op1, ..., OpN auf, deren erster, nicht-invertierender Eingang jeweils mit einem Messeingang 7 verbunden ist. Die Ausgänge 11 der Messverstärker Op1, ..., OpN dienen einerseits dazu, daran das jeweilige gegenüber dem Eingangssignal Vi verstärkte Ausgangssignal Ei abzugreifen, das ein Maß für den zeitlichen Verlauf des Potentials auf der Haut des Patienten 3 ist. Andererseits sind die Ausgänge 11 mit einer Summiereinheit verbunden, die in diesem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel als eine Mikroprozessoreinheit 13 ausgebildet ist.
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Die Mikroprozessoreinheit 13 ist programmtechnisch derart ausgestattet, dass sie aus den an den Ausgängen 11 ausgegebenen Ausgangssignalen E1, ..., EN ein Mittelwertsignal erzeugt, dessen Höhe dem Mittelwert der an den Ausgängen 11 ausgegebenen Signale Ei entspricht. Dieses Mittelwertsignal wird einerseits von der Mikroprozessoreinheit 13 an einem ersten Ausgang 15 ausgegeben, und andererseits wird das Mittelwertsignal, ggfs. um einen Faktor V = β/(α – 1) verstärkt, an einem zweiten Ausgang 17 ausgegeben.
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Der erste Ausgang 15 der Mikroprozessoreinheit 13 ist mit dem invertierenden Eingang eines ersten Verstärkers Opc verbunden, dessen nicht-invertierender Eingang mit der Gerätemasse m2 der Einrichtung 1 verbunden ist. Der erste Verstärker Opc ist damit als invertierender Verstärker geschaltet, und über die Widerstände R1 und R2 kann die Verstärkung γ eingestellt werden, mit der das Mittelwertsignal als verstärktes Referenzsignal VC an einem Potentialausgang 19 der Einrichtung 1, mit dem der Ausgang des ersten Verstärkers Opc verbunden ist, ausgegeben wird. Hier ist es auch denkbar, dass der erste Verstärker Opc als nicht-invertierender Verstärker verschaltet ist. Dann müsste das diesem zugeführte Signal von der Mikroprozessoreinheit 13 jedoch vorher invertiert werden. Der Potentialausgang 19 ist mit einer Zusatzelektrode 21 am Patienten 3 verbunden.
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Der zweite Ausgang 17 der Mikroprozessoreinheit 13 ist über die Widerstände R mit dem zweiten, invertierenden Eingang der Messverstärker Op1, ..., OpN verbunden, so dass das ggfs. verstärkte Mittelwertsignal von dem Eingangssignal V1, ..., VN, das von den Messeingängen 7 erfasst wird, subtrahiert wird.
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Dieses erste bevorzugte Ausführungsbeispiel arbeitet wie folgt.
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Da die Messverstärker Op1, ..., OpN als nicht-invertierende Verstärker geschaltet sind, wird das an den Messeingängen 7 erfasste Eingangssignal V1, ..., VN mit einem Faktor α = 1 + R' / R verstärkt an den Ausgängen 11 der Messverstärker Op1, ..., OpN ausgegeben.
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Davon abgezogen wird jedoch das Mittelwertsignal
das dabei allerdings um einen Faktor α – 1 verstärkt wird. Somit ergibt sich für das Ausgangssignal E
1, ..., E
N am Ausgang
11 der Messverstärker Op
1, ..., Op
N:
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Wenn der Mittelwert
für die Ausgangsignale E
i gebildet wird, ergibt sich dafür die folgende Beziehung:
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Da das Mittel
dem Gleichtaktsignal V
cm entspricht, ergibt sich
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Da sich das Signal an den Messeingängen 7 aus dem eigentlichen Signal V ^l und dem Gleichtaktanteil Vcm zusammensetzt, lässt sich die erste Beziehung auch als Ei = α·(V ^l + Vcm) – β· α / 1+β·Vcm bzw. Ei = α·V ^l + α / 1+β·Vcm schreiben.
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Aus der letzten Beziehung resultiert, dass die Differenz zwischen zwei Eingangssignalen Vi an den Ausgängen 11 der Messverstärker Op1, ..., OpN um den Faktor |Adiff| = α verstärkt wird, während das Gleichtaktsignal mit dem Faktor |Agleich| = α/(1 + β) verstärkt wird.
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Für die Gleichtaktunterdrückung CMRR = |Adiff|/|Agleich| ergibt sich CMRR = (1 + β). Aufgrund der Differenzbildung und Ungenauigkeiten bei den Widerständen R, R' kommt noch ein weiterer Faktor CMRRdiff hinzu, so dass sich insgesamt für die Gleichtaktunterdrückung die Beziehung CMRRges = (1 + β)·CMRRdiff ergibt.
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Diese Betrachtungen gelten, ohne dass berücksichtigt wird, dass über die Zusatzelektrode
21 das mit der Verstärkung Ɣ verstärkte Mittelwertsignal
an dem Patienten anliegt. Dies führt insgesamt zu einer Dämpfung des Gleichtaktanteils, so dass dann für den Gleichtaktanteil V
cm,ges, der dann in den vorherigen Gleichungen zu verwenden ist, gilt:
Vcm,ges = Vcm· 1 / 1 + G mit
G = γ· α / 1+β. -
Dann ergibt sich für die gesamte Gleichtaktunterdrückung CMRR'ges die Beziehung CMRR'ges = CMRRges·(1 + G) = CMRRdiff·(1 + β)·(1 + γ· α / 1+β)
= CMRRdiff·(1 + β + Ɣα).
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Wenn die Verstärkungen an den Messverstärkern Op1, ..., OpN sowie für das den zweiten, invertierenden Eingängen der Messverstärker Op1, ..., OpN zugeleitete Mittelwertsignal derart gewählt werden, dass β = α – 1 gilt, vereinfacht sich diese Beziehung weiter zu CMRR'ges = CMRRdiff·α·(1 + Ɣ).
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Dies bedeutet, dass schon dann, wenn das Mittelwertsignal der Zusatzelektrode 21 unverstärkt zugeführt wird, also Ɣ = 1 ist, die Gleichtaktunterdrückung verdoppelt wird. Eine Verstärkung des Mittelwertsignals um den Faktor 10, also Ɣ = 10, führt zu einer Erhöhung der Gleichtaktunterdrückung um den Faktor 11.
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Dies zeigt, dass durch den erfindungsgemäßen Aufbau bzw. die Kombination der Rückführung des Mittelwertsignals zum zweiten hier invertierenden Eingang der Messverstärker Op1, ..., OpN sowie der Zuführung des Mittelwertsignals zu einer Zusatzelektrode 21 das Gleichtaktsignal stark unterdrückt werden kann, ohne dass dazu hohe Verstärkungen erforderlich sind. Dies rührt gerade aus einem Kombinationseffekt der beiden Rückführungen her, und ergibt sich nicht unabhängig voneinander, wie die vorherigen Überlegungen zeigen.
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Das in 2 dargestellte, zweite Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung 1' zur Erfassung von Potentialen unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass die Summiereinheit nicht als eine Mikroprozessoreinheit ausgeführt ist, sondern einen zweiten Verstärker 21 aufweist, der als nicht invertierender Verstärker geschaltet ist und an dessen Ausgang ein Mittelwertsignal bereitgestellt wird, dessen Höhe dem Mittelwert der an den Ausgängen 11 der Messverstärker Op1, ..., OpN ausgegebenen Ausgangssignale E1, ..., EN entspricht. Dieses Mittelwertsignal wird einerseits, wie auch bei dem ersten Ausführungsbeispiel, ggfs. verstärkt, den zweiten invertierenden Eingängen der Messverstärker Op1, ..., OpN zugeführt. Andererseits wird dieses Mittelwertsignal wiederum dem ersten Verstärker Opc zugeführt und wird verstärkt zu dem Potentialausgang 19 geleitet und der Zusatzelektrode 21 zugeführt.
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Somit werden auch bei dieser Einrichtung 1' an den Messelektroden 7 Potentiale als Eingangssignale V1, ..., VN erfasst, den Messverstärkern Op1, ..., OpN zugeleitet, wo sie zu Ausgangssignalen verstärkt E1, ..., EN werden, und es wird ein Mittelwertsignal dieser Ausgangssignale E1, ..., EN gebildet. Dieses Mittelwertsignal wird dann wiederum den Eingängen der Messverstärker Op1, ..., OpN sowie dem ersten Verstärker Opc zugeleitet. Damit werden auch hier die schon im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel erläuterten Vorteile erreicht. Hier ist lediglich die Summiereinheit analog mit Hilfe eines Verstärkers 23 ausgeführt und nicht digital mittels einer Mikroprozessoreinheit 9.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- Einrichtung
- 3
- Patient
- 5
- Gehäuse
- 7
- Messeingang
- 9
- Elektrode
- 11
- Ausgang – Messverstärker
- 13
- Mikroprozessoreinheit
- 15
- erster Ausgang – Mikroprozessoreinheit
- 17
- zweiter Ausgang – Mikroprozessoreinheit
- 19
- Potentialausgang
- 21
- Zusatzelektrode
- 23
- zweiter Verstärker
- Vi
- Eingangssignal
- Ei
- Ausgangssignal
- Opi
- Messverstärker
- Opc
- erster Verstärker
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Bruce B. Winter et al., Driven-Right-Leg Circuit Design, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. BME-30, No. 1, January 1983 [0007]
