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Die
Erfindung betrifft ein Biosignal-Meßsystem zur Messung von Biosignalen,
welche am Körper von
Lebewesen messbar sind.
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Die
bekannten Biosignal-Meßsysteme
beinhalten das Messen der Biosignale und das Auswerten der gemessenen
Biosignale von Lebewesen, insbesondere von Menschen, so dass ein
Arzt oder eine andere Person anhand der ausgewerteten Biosignale
den Gesundheitszustand oder bestimmte Krankheitsbilder des Lebewesens
analysieren und erkennen und/oder zeitliche Entwicklungen des Gesundheitszustandes
oder Krankheitszustandes eines Lebewesens durch das Meßsystem
aufzeichnen kann, so dass die Aufzeichnung jederzeit abrufbar ist
für eine
Person, insbesondere für
einen Arzt oder für Krankenpflegepersonal.
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Biosignale
von Lebewesen sind elektrische Wechselsignale, welche einen Gleichstromanteil
enthalten und häufig
auch von Störsignalen überlagert sind.
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Biosignale
werden beispielsweise in Form von EKG (Elektrokardiogramm), EMG
(Elektromyogramm) und EEG (Elektroenzephalogramm) ausgewertet in
dazu geeigneten Meßsystemen.
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Alle
Meßsysteme
benötigen
eine elektrische Stromversorgung, welches normalerweise durch Anschluss
an das ortsübliche
Stromnetz erfolgt. Selbstverständlich
darf das Stromnetz nicht direkt an ein Lebewesen gelangen, wenn
Elektroden des Meßsystems
mit dem Lebewesen verbunden werden, um Biosignale zu messen. Hierzu
bestehen Sicherheitsvorschriften. Zu deren Erfüllung sind unter anderem besondere
Transformatoren und Schutzwiderstände vorgesehen. Die Elektroden
können
in das Lebewesen einsetzbare Elektroden oder auf die Haut des Lebewesens
aufsetzbare Elektroden sein. Der elektrische Übergangswiderstand zwischen
den Elektroden und der Haut des Lebewesens sollte gegen Null gehen,
weil sonst die sowieso schon schwachen Biosignale noch schlechter
zu empfangen sind oder bei variablem Übergangswiderstand Messfehler
aus anderen Gründen
entstehen. Zur Erzielung eines guten elektrischen Kontaktes zwischen
den Elektroden und der Haut des Lebewesens ist es üblich, dazwischen ein
Gel zu verwenden. Mit der Haut zu verbindende Kontakt-Elektroden
werden beispielsweise bei der Erstellung von Elektromyogrammen (EMG)
verwendet. Hierbei handelt es sich um die Prüfung der Muskelaktivitäten von
Lebewesen in Abhängigkeit
von Stimulationsreizen.
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Durch
die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein Meßsystem
zu schaffen, bei welchem die Totzeit oder Wartezeit reduziert ist,
die bei bekannten Meßsystemen
auftreten durch die Entladungszeit von Kapazitäten oder durch schnelle Übersättigung eines
Verstärkers
durch Biosignale. Das Meßsystem soll
konstruktiv einfach, leicht anwendbar und für Patienten ungefährlich sein.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch
die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
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Weitere
Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Die
Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen anhand
einer bevorzugten Ausführungsform
als Beispiel beschrieben. In den Zeichnungen zeigen
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1 schematisch
ein Biosignal-Meßsystem
nach der Erfindung,
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2 schematisch
eine Prüfschaltung
der Erfindung, welche bei dem Meßsystem nach 1 verwendbar
ist zur Vermeidung von Messfehlern,
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3 schematisch
eine andere Darstellung der Prüfschaltung
von 2 zur Verdeutlichung, dass es sich um eine Spannungsteilerschaltung
handelt,
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4 eine
schematische Detaildarstellung eines Teiles von 1,
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5 schematisch
ein AC-gekoppelter Verstärker
nach dem Stand der Technik,
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6 schematisch
ein DC-gekoppelter Verstärker
nach dem Stand der Technik,
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7 eine
detaillierte Darstellung eines Teiles der Schaltung von 4,
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8 ein
Kurvendiagramm.
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Das
in 1 gezeigte Biosignal-Meßsystem zum Messen von Biosignalen
am Körper
von Lebewesen 10 enthält
mindestens eine Verstärkereinrichtung 12 mit
mindestens einem, beispielsweise zwei Biosignaleingängen 14 und 16 und
einem Verstärkerausgang 18.
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An
den Verstärkerausgang 18 ist
eine Elektrosignal/Lichtsignal-Wandlerschaltung 20 angeschlossen,
welche aus den elektrischen Verstärkerausgangssignalen des Verstärkerausgangs 18 korrespondierende
Lichtsignale 22 an einem Lichtausgang 24 erzeugt,
welcher zur Übertragung
der Lichtsignale 22 durch einen Lichtleiter 26 zu
einem Auswertegerät 28 ausgebildet
ist. Das Auswertegerät 28 ist
vorzugsweise ein Computer. Zur Aufnahme der Lichtsignale 22 im
Auswertegerät 28 dient
vorzugsweise eine handelsübliche
Soundkarte.
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Dadurch
ist die Messvorrichtung 30, welche die mindestens eine
Verstärkungseinrichtung 12 und die
Wandlerschaltung 20 enthält, von der Auswerteeinrichtung 28 elektrisch
völlig
getrennt. Die elektronischen Elemente der Messvorrichtung 30 können elektrische
Energie über
Sicherheitsgeräte
aus dem örtlichen
Ortsnetz oder, was für
ein Lebewesen sicherer ist, aus Batterien oder wiederaufladbaren
Akkumulatoren erhalten. Ferner besteht durch die Erfindung der Vorteil,
dass das Auswertegerät 28 durch einen
beliebig langen Lichtleiter 26 beliebig weit entfernt von
der Messvorrichtung 30 positioniert werden kann an einem
beliebigen, für
eine Bedienperson geeigneten Ort. 1 zeigt
anhand von Doppelpfeilen die Messvorrichtung 30, das Auswertegerät 28 und die
Distanzstrecke dazwischen durch den Lichtleiter 26. Die
Messvorrichtung 30 kann aus einzelnen, miteinander elektrisch
leitend verbundenen Geräteteilen bestehen
oder vorzugsweise eine einzige Geräteeinheit sein.
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Mittels
des Lichtleiters 26 ist der Signalausgang 24 der
Elektrosignal/Lichtsignal-Wandlerschaltung 20 mit
einem Lichtsignalempfänger 34 des
Auswertegerätes 28 lichtsignalübertragend
verbunden oder lichtsignalübertragend
verbindbar. Der Lichtsignalempfänger 34 enthält eine
Lichtsignal/Elektrosignal-Wandlerschaltung 36 zur Umwandlung
der Lichtsignale 22 in elektrische Signale, die von einem
Auswerteteil 38 des Auswertegerätes 28 ausgewertet werden,
beispielsweise optisch oder akustisch angezeigt oder registriert
oder in einem elektronischen Speicher gespeichert werden zum Zwecke
von Diagnosen und/oder zur Aufzeichnung oder Speicherung von dem
Gesundheitszustand oder Krankheitszustand des Lebewesens über einen
bestimmten Zeitraum.
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Die
Wandlerschaltungen 20 und 36 können von einem Fachmann auf
verschiedene Weise praktisch ausgeführt werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung enthält
die Elektrosignal/Lichtsignal-Wandlerschaltung 20 einen
A/D-Wandler 40, dessen Analog-Eingang 42 an den
Verstärkerausgang 18 angeschlossen
ist, eine Lichtquelle 44 und ein Umsetzer 46,
vorzugsweise in Form eines Audiotransmitters (z. B. DIT 4096 von
Texas Instruments) oder eines Audio-Interface (z. B. von Cirus),
welcher einen an den Digitalausgang 48 des A/D-Wandlers 40 angeschlossenen
Digitaleingang 40 aufweist und zur Umwandlung der Digitalsignale
des A/D-Wandlers 40 in
standardisierte elektrische Digitalsignale dient (z. B. SPDIF oder
AES), die zur Ansteuerung (einschalten und ausschalten) Lichtquelle 44 geeignet
sind, so dass die Lichtquelle 44 beim Empfang der standardisierten
Digitalsignale die Lichtsignale 22 erzeugt. Die Lichtquelle 44 ist
mit einem Digitalsignal-Ausgang 52 des Umsetzers 46 elektrisch
leitend verbunden. Der Umsetzer 46 enthält ein Protokoll, z. B. SPDIF,
welches üblicherweise
zur Übertragung von
Audiodaten bekannt ist. Die Lichtquelle 44 enthält als Leuchtmittel
vorzugsweise eine Leuchtdiode (LED) oder eine Leserdiode.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform der
Erfindung sind mindestens zwei von den genannten Verstärkereinrichtungen 12 vorgesehen,
die je mindestens einen, vorzugsweise zwei Biosignaleingang 14 bzw. 16 und
einen Verstärkerausgang 18 aufweisen,
wobei der A/D-Wandler 40 ein Mehrkanalwandler mit mindestens
zwei Kanälen
ist, von welchen je einer an einen der Verstärkerausgänge 18 elektrisch
leitend angeschlossen ist. Hierfür
ist der Verstärkerausgang 18 des
weiteren Verstärkers 12 an
einen zusätzlichen
Analogeingang 142 des A/D-Wandlers 40 elektrisch
leitend angeschlossen.
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Der
Mehrkanal-A/D-Wandler 40 ist zur Erzeugung der digitalen
Ausgangssignale in Abhängigkeit
von den elektrischen Signalen der Verstärkerausgänge 18 von allen Verstärkereinrichtungen 12 ausgebildet,
wobei das digitale Ausgangssignal eine Kombination der verstärkten elektrischen
Signale von allen Verstärkereinrichtungen 12 ist.
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Die
Verstärkereinrichtung 12,
oder jede der Verstärkereinrichtungen 12,
hat vorzugsweise mindestens zwei Biosignaleingänge 14, 16,
und ist zur Bildung eines Differenzsignals aus diesen Biosignalen
sowie zur Verstärkung
des Differenzsignals ausgebildet, wobei das verstärkte Signal
am Verstärkerausgang 18 das
verstärkte
Differenzsignal ist.
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Für jede der
Verstärkereinrichtungen 12 sind Elektrodenleitungen 54 und 56 vorgesehen,
welche mit den Biosignaleingängen 14 bzw. 16 der
Verstärkereinrichtungen 12 elektrisch
leitend verbunden oder verbindbar sind und an ihren von den Biosignaleingängen distalen
Enden eine Elektrode 58 bzw. 60 zum Anschluss
an voneinander entfernten Stellen der Haut (oder an anderen Körperstellen)
eines Lebewesens 10 haben.
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Alle
Elektrodenleitungen 54 und 56 enthalten je einen
elektrischen Schutzwiderstand RS1 bzw. RS2 zum Schutz des Lebewesens 10 gegen
unerwünschte
hohe elektrische Ströme.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform der
Erfindung ist eine Prüfschaltung 66 mit
mindestens einem Umschalter US1 bzw. US2 vorgesehen, durch welchen
jeweils das von den Elektroden 58 bzw. 60 entfernte
proximate Ende 68 bzw. 70 der Elektrodenleitungen 54 bzw. 56 alternativ
mit dem Biosignaleingang 14 bzw. 16 oder mit einem
Prüfschaltungsteil 72 der
Prüfschaltung 66 elektrisch
leitend verbindbar ist. Der Prüfschaltungsteil 72 enthält ein Messgerät 74,
welches optisch oder akustisch eine Messwertinformation in Abhängigkeit
davon liefert, wie groß der
elektrische Widerstand zwischen den Elektroden 58 und 60,
und damit auch wie groß der elektrische Übergangswiderstand
zwischen der betreffenden Elektrode 58 bzw. 60 einerseits
und einem Lebewesen 10 andererseits ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung enthält
die Prüfschaltung 66 zwei
Umschalter US1 und US2, durch welche die von den Elektroden 58, 60 entfernten
proximalen Enden 68, 70 von zwei Elektrodenleitungen 54, 56 je
mit einem von zwei Biosignaleingängen 14, 16 der
Verstärkereinrichtung 12 verbindbar
sind oder alternativ dazu mit einer elektrischen Reihenschaltung
des Prüfschaltungsteils 72 elektrisch
verbindbar sind, welche in Reihe zueinander geschaltet eine Spannungsquelle 76,
vorzugsweise eine Wechselspannungsquelle, und einen Referenzwiderstand
RR enthält.
An die Reihenschaltung RR, 76 ist das elektrische Messgerät 74 angeschlossen,
welches in Abhängigkeit
von dem elektrischen Widerstand zwischen den beiden Elektroden,
und damit auch in Abhängigkeit
von deren Übergangswiderstand
zu einem Lebewesen 10, ein optisch oder akustisch erkennbares
Signal erzeugt. Damit ist dieses Signal indikativ für den Übergangswiderstand
zwischen den Elektroden einerseits und einem Lebewesen 10 andererseits
und damit auch indikativ dafür,
ob die Elektroden an das Lebewesen 10 korrekt angeschlossen
sind. Für
die Funktion der Prüfschaltung
muss mindestens eine der beiden Elektrodenleitungen 54, 56 einen
Schutzwiderstand RS1, RS2 enthalten. Der Referenzdruck RR hat vorzugsweise
einen variabel einstellbaren Widerstandswert.
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Das
Messgerät 74 kann
ein Voltmeter oder ein Ampermeter oder ein Phasendetektor sein,
abhängig
davon, wie es in dem Prüfschaltungsteil 72 angeschlossen
ist. Damit kann eine elektrische Spannung oder ein elektrischer
Strom oder in Abhängigkeit
davon eine andere Information (z. B. Elektrodenanschluss an Patient „gut" oder „nicht
gut"; oder Impedanz
der Haut) am Messgerät 74 angezeigt
werden.
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Gemäß der in
den Zeichnungen gezeigten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
das Messgerät 74 ein
Spannungsmessgerät,
welches an die aus Spannungsquelle 76 und Referenzwiderstand
RR bestehende Serienschaltung überbrückend angeschlossen
ist, so dass ein Spannungsteiler gebildet ist, welcher einen den
Referenzwiderstand RR und die Spannungsquelle 74 enthaltenden
Teil und einen die beiden Elektrodenleitungen 54, 76 mit
den Schutzwiderständen
RS1 und RS2 enthaltenden Teil hat, wobei dieser Teil auch den elektrischen
Widerstand zwischen den beiden Elektroden 58, 60 enthält, welcher
unendlich groß ist,
wenn die Elektroden 58, 60 voneinander getrennt
und auch nicht an ein Lebewesen 10 angeschlossen sind,
jedoch gegen den Wert Null geht, wenn die Elektroden 58, 60 an
ein Lebewesen 10 gut elektrisch leitend angeschlossen sind.
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Die
elektrischen Widerstände
der Stromquelle 76 und des Körpers eines Lebewesens 10 zwischen
den Elektroden 58 und 60 ist vernachlässigbar klein.
Deshalb ist das Verhältnis
des Widerstandswertes des Referenzwiderstandes RR zu der Summe der
Widerstandswerte der Schutzwiderstände RS1 und RS2 als Maß verwendbar
zum Erkennen, ob die Elektroden korrekt mit dem Lebewesen verbunden sind.
Wenn beispielsweise die Widerstandsumme der beiden Schutzwiderstände RS1
und RS2 gleich groß ist
wie der Widerstandswert des Referenzwiderstandes RR, dann ist die
am Messgerät 74 angezeigte
Spannung UM halb so groß wie die Gesamtspannung UG der Spannungsquelle 76. Die Spannungsquelle 76 kann
eine Gleichspannungsquelle, Gleichstromquelle, Wechselspannungsquelle
oder Wechselstromquelle sein, z. B. eine Batterie, ein wiederaufladbarer
Akkumulator oder ein Oszillator, z. B. ein Sinusgenerator.
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Bei
der Erstellung von Elektromyogrammen (EMG) wird einem Lebewesen
(Patient) von extern ein Stimulationsimpuls zugefügt, welcher
eine Nervenreizung im Lebewesen bewirkt. Gleichzeitig wird durch
ein Biosignal-Meßsystem
gemessen, welche Aktivität
die Nervenreizung in einem oder mehreren Muskeln des Lebewesens
hervorgerufen hat. Die Nervenreizung kann durch einen mechanischen Schlag,
durch einen elektrischen Spannungspuls oder durch einen Magnetpuls
erzeugt werden, z. B. durch ein starkes Magnetfeld an den Kopf einer
Person.
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Die
durch Muskelaktivität
hervorgerufenen Biosignale sind elektrische Wechselsignale. Der
Körper
einer Person erzeugt im Ruhezustand Wechselsignale von ca. 400 Hz
und bei Muskelerregung, z. B. Muskelanspannung, Wechselsignale mit
einer wesentlich höheren
Frequenz von z. B. 3 kHz.
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Die
Biosignale (elektrischen Signale) müssen in einer Verstärkereinrichtung
verstärkt
werden, damit sie ausgewertet werden können. Die Verstärkereinrichtung 12 enthält mindestens
eine Verstärkerstufe 112 und
vorzugsweise eine dieser in Serie nachgeschaltete zweite Verstärkerstufe 114,
wie dies 4 zeigt. Die erste Verstärkerstufe
hat die beiden Signaleingänge 14 und 16,
welchen über
die Elektrodenleitungen 14 bzw. 56 Biosignale
des Lebewesens 10 zuführbar
sind.
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Ein
bekanntes Messverfahren besteht darin, dass die Elektroden auf die
Haut eines Patienten gesetzt werden. Zwischen die Elektroden und
die Haut wird häufig
ein Gel angeordnet, um einen guten Kontakt der Elektroden mit der
Haut zu erzielen.
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Gemäß einem üblichen
Prinzip wird an die Haut des Patienten auch eine Referenzelektrode 116 angebracht,
welche ebenso wie die erste Verstärkerstufe 112 an eine
Gerätemasse
angeschlossen wird. Die erste Verstärkerstufe misst die Spannung
U1 zwischen der Referenzelektrode 116 und der einen Biosignalelektrode 58 sowie
die Spannung U2 zwischen der Referenzelektrode 116 und
der anderen Biosignalelektrode 60. Ferner wird in der ersten
Verstärkerstufe 112 die
Differenz zwischen den beiden Spannungen U1 und U2 gebildet. Das
Verstärkerausgangsignal
hat den Wert Null, wenn beide Spannungen U1 und U2 gleich groß sind.
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Verstärker können AC-gekoppelte
Verstärker (wechselstromgekoppelte
Verstärker),
wie einer schematisch in 5 gezeigt ist, oder DC-gekoppelte
Verstärker
(gleichstromgekoppelte Verstärker) sein,
wie einer schematisch in 6 gezeigt ist. Beim AC-gekoppelten
Verstärker
gemäß 5 bewirken eingehende
Störimpulse
eine Aufladung eines dem Verstärker 118 vorgeschalteten
Kondensators 120. Am Ende des Impulses benötigt der
Kondensator eine bestimmte Abklingzeit (abhängig von Kondensatorgröße), um
eine dem Puls entsprechende Spannung an den Verstärker 118 abzugeben.
Während dieser
Abklingzeit kann der Verstärker 118 keine
neuen Signale empfangen. Dies ist ein Nachteil bei der Messung von
Biosignalen. Ein Vorteil der AC-gekoppelten Verstärker ist,
dass die Bio-Wechselsignale nach
dem Kondensator keinen Gleichstromanteil mehr haben und damit gegenüber einem
Spannungswert Null nicht versetzt sind.
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Ein
DC-gekoppelter Verstärker 122 entsprechend 6 hat
keine vorgeschaltete Gleichspannungssperre. Spannungsspitzen gehen
jeweils unverzüglich
voll auf den Verstärker 122,
welche von diesem solange vollständig übertragen
werden, wie er nicht übersteuert
wird. Der Vorteil hierbei besteht somit in kurzen oder keinen Totzeiten.
Der Nachteil besteht jedoch darin, dass durch den normalerweise hohen
Gleichspannungsanteil der Biosignale der Verstärker sehr schnell übersteuert
wird und damit ebenfalls Totzeiten entstehen, während welchen keine Biosignale
von dem Verstärker übertragen
werden können.
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Durch
die Erfindung wird eine neue Verstärkerschaltung vorgeschlagen,
durch welche die Vorteile sowohl des AC-gekoppelten Verstärkers von 5 als
auch des DC-gekoppelten Verstärkers
von 6 erzielt werden, ohne deren Nachteile zu haben.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe schlägt
die Erfindung als erste Verstärkerstufe 112 (4)
eine Verstärkerschaltung
gemäß 7 vor.
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Gemäß 7 ist
durch die Erfindung ein Biosignal-Meßsystem zur Messung von Biosignalen gegeben,
welche am Körper
von Lebewesen 10 messbar sind, insbesondere von Biosignalen,
welche im Körper
des Lebewesens 10 als Reaktion auf einen Stimulationsimpuls
entstehen, welcher z. B. mittels eines Stimulationsgerätes 130 im
Körper 10 des
Lebewesens erzeugbar ist.
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Das
Meßsystem
enthält
in einer Verstärkereinrichtung 12 mindestens
die beiden Biosignaleingänge 14 und 16 an
einem Verstärker 132 der
ersten Verstärkerstufe 112.
Dieser Verstärker 132 ist
ein DC-gekoppelter Verstärker,
vorzugsweise ein Instrumentenverstärker. Der Verstärkerausgang 134 dieses
Instrumentenverstärkers 132 ist über einen
aktiven Tiefpassfilter 136 an einen Einstelleingang 140 des
Instrumentenverstärkers 132 rückgekoppelt
zur Unterdrückung
eines Gleichspannungsanteils der Biosignale auf der Eingangsseite
des Instrumentenverstärkers 132.
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Der
Einstelleingang 140 ist über einen elektrischen Widerstand 142 mit
einem weiteren Einstelleingang 138 auf der Eingangsseite
des Instrumentenverstärkers 132 verbunden.
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Durch
diese Rückkopplung
des Ausganges 134 des Instrumentenverstärkers 132 über einen
aktiven Tiefpassfilter 136 auf einen Einstelleingang 140 dieses
Instrumentenverstärkers 132 wird
ein Störimpuls,
welcher durch einen Stimulationsimpuls auf das Lebewesen kurzzeitig
im Lebewesen erzeugt wird, und ein in den Biosignalen normalerweise
enthaltender Gleichspannungsanteil und auch ein Niederfrequenzanteil
unterdrückt.
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Dem
Fachmann wird es möglich
sein, auch durch andere Arten von Rückkopplungsschaltungen die
Verstärkung
von Gleichspannungsanteilen der Biosignale zu unterdrücken.
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8 zeigt
ein Diagramm, in welchem über die
Zeit t elektrische Biosignal-Spannungen
U aufgetragen sind. Eine Kurve A1 zeigt die am Verstärkerausgang 134 des
Instrumentenverstärkers 132 entstehenden
verstärkten
Bio-Wechselsignale, welche keinen Gleichspannungsanteil mehr enthalten.
Eine gerade Kurve A2 zeigt einen Gleichspannungsanteil und eine
gestrichelt gezeichnete Kurve A3 zeigt die um den Gleichspannungsanteil
A2 wechselnde verstärkte
Biosignal-Wechselspannung, welche ohne die Rückkopplung des aktiven Filters 136 entstehen würde bei
einer Verstärkung
von Biosignalen A4.
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Der
Brücken-Widerstand 142 zwischen
den Einstelleingängen 138 und 140 (setup
inputs) auf der Eingangsseite des Instrumentenverstärkers 132 bestimmt
den Verstärkungsfaktor
dieses Instrumentenverstärkers.
Je kleiner der Brücken-Widerstand 142 ist,
desto größer ist
die Gesamtverstärkung
des Instrumentenverstärkers 132.
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Durch
die Erfindung wird die Totzeit der ersten Verstärkerstufe 112 auf
ein physikalisch mögliches
Minimum reduziert. Dadurch können
Biosignal-Messungen jeweils wesentlich früher gestartet werden als beim
Stand der Technik.