DE10353970A1

DE10353970A1 - Biosignal-Meßsystem

Info

Publication number: DE10353970A1
Application number: DE10353970A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-11-19
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2023-11-20
Also published as: DE10353970B4

Abstract

Biosignal-Messsystem. Eine Prüfschaltung (66) enthält mindestens einen Umschalter (US1, US2) zum alternativen Anschließen von mindestens einer Elektrodenleitung alternativ an eine Verstärkereinrichtung (12) oder an einen Prüfschaltungsteil (72), der ein Messgerät (74) enthält.

Description

Die Erfindung betrifft ein Biosignal-Meßsystem zur Messung von Biosignalen, welche am Körper von Lebewesen messbar sind.

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.

Biosignale von Lebewesen sind elektrische Wechselsignale, welche einen Gleichstromanteil enthalten und häufig auch von Störsignalen überlagert sind.

Biosignale werden beispielsweise in Form von EKG (Elektrokardiogramm), EMG (Elektromyogramm) und EEG (Elektroenzephalogramm) ausgewertet in dazu geeigneten Meßsystemen.

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.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine elektrische Schaltung zu schaffen, welche konstruktiv einfach und preiswert ist, und auf einfache Weise benutzbar ist, zum Feststellen, ob an die Haut eines Lebewesens anschließbare (kontaktierbare) Elektroden des Biosginal-Meßsystems an die Haut korrekt angeschlossen sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Damit keine Messfehler durch schlechten elektrischen Leitungsübergang zwischen der Messeinrichtung und dem zu untersuchenden Lebewesen entstehen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, mittels einer Prüfschaltung ein für eine Bedienperson, z. B. einen Arzt oder eine Pflegeperson, optisch oder akustisch erkennbares Signal in Abhängigkeit von dem Übergangswiderstand zu erzeugen, welcher zwischen einer Elektrode des Meßsystems und der Haut des betreffenden Lebewesens gegeben ist, wenn die Elektrode an die Haut des Lebewesens zur Messung von Biosignalen angesetzt wird.

Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform als Beispiel beschrieben. In den Zeichnungen zeigen
1 schematisch ein Biosignal-Meßsystem nach der Erfindung,
2 schematisch eine Prüfschaltung der Erfindung, welche bei dem Meßsystem nach 1 verwendbar ist zur Vermeidung von Messfehlern,
3 schematisch eine andere Darstellung der Prüfschaltung von 2 zur Verdeutlichung, dass es sich um eine Spannungsteilerschaltung handelt.
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.
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.
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.
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.
Die Wandlerschaltungen 20 und 36 können von einem Fachmann auf verschiedene Weise praktisch ausgeführt werden.
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.
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.
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.
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.
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.
Alle Elektrodenleitungen 54 und 56 enthalten je einen elektrischen Schutzwiderstand RS1 bzw. RS2 zum Schutz des Lebewesens 10 gegen unerwünschte hohe elektrische Ströme.
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 proximale 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.
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.
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.
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.
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 U_M halb so groß wie die Gesamtspannung U_G 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.

Claims

Biosignal-Meßsystem zur Messung von Biosignalen, welche am Körper von Lebewesen (10) messbar sind, enthaltend mindestens eine Verstärkereinrichtung (12) zur Verstärkung der Biosignale, und mindestens einer Elektrodenleitung (54, 56), die einen elektrischen Schutzwiderstand (RS1, RS2) zum Schutz gegen gefährlich hohe elektrische Ströme enthält und an einem Ende eine Elektrode (58, 60) zum Anschluss an ein Lebewesen, vorzugsweise zur Kontaktierung der Haut eines Lebewesens hat, dadurch gekennzeichnet, dass eine Prüfschaltung (66) mit mindestens einem Umschalter (US1, US2) vorgesehen ist, durch welchen jeweils das von der Elektrode (58, 60) entfernte proximale Ende (68, 70) der Elektrodenleitung alternativ mit einem Biosignaleingang (14, 16) oder mit einem Prüfschaltungsteil (72) elektrisch leitend verbindbar ist, welcher ein Messgerät (74) aufweist, welches optisch oder akustisch eine Messwertinformation in Abhängigkeit davon liefert, wie groß der elektrische Übergangswiderstand zwischen einem Lebewesen (10) und der an ihn angeschlossenen Elektrode (58, 60) der Elektrodenleitung (54, 56) ist.
Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfschaltung (66) zwei Umschalter (US1, US2) aufweist, durch welche die von den Elektroden (58, 60) entfernten proximalen Enden (68, 70) von zwei Elektrodenleitungen (54, 56), von welchen mindestens eine einen Schutzwiderstand (RS1, RS2) enthält, 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, vorzugsweise eine Wechselspannungsquelle (76), und einen Referenzwiderstand (RR) enthält, wobei an die Reihenschaltung das elektrische Messgerät angeschlossen ist, welches in Abhängigkeit von dem elektrischen Widerstand zwischen den beiden Elektroden (58, 60) ein optisch oder akustisch erkennbares Signal erzeugt, so dass dieses Signal indikativ für den Übergangswiderstand zwischen den Elektroden und einem Lebewesen ist und damit auch dafür indikativ ist, ob die Elektroden (58, 60) an das Lebewesen (10) korrekt angeschlossen sind.
Meßsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerät ein Spannungsmessgerät ist, welches 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 mit den Schutzwiderständen 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) gut elektrisch leitend an ein Lebewesen (10) angeschlossen sind, so dass die Anzeige am Messgerät (74) ein Maß für den elektrischen Übergangswiderstand zwischen den Elektroden (58, 60) einerseits und dem Lebewesen (10) andererseits ist und anhand der Anzeige erkennbar ist, ob die Elektroden mit dem Lebewesen elektrisch gut leitend und damit korrekt verbunden sind.