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Elektrische Hautelektrode Priorität : USA ; 5. November 1963 ; US
Ser. No. 321 460 Die Erfindung betrifft eine Elektrode zur Ableitung niedriger elektrischer
Signale von der Haut eines Lebewesens.
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Es werden häufig für medizinische Untersuchungen Elektrodenpaare verwendet,
die schwache elektrische Signalströme im Eörper eines Lebewesens zur Anzeige bringen.
Wenn es sich um derartige die schwachen elektrischen Signale von der Haut des Lebewesens
ableitenden Elektroden handelt, so ergeben sich häufig keine zuverlässigen Signalwerte.
Ein Nachteil derartiger Elektrodenpaare besteht darin, daß eine Gleichspannung erzeugt
wird, die einen das Gewebe und die Elektroden durchfließenden Stromkreis erzeugt.
Auf diese Weise ergeben sich Polarisationserscheinungen an der Berührungsfläche
zwischen der Metallelektrode und der Haut, die eine Änderung des Eloktrodenwiderstandes
zur Folge haben und bei Signalkomponenten niedriger Frequenz eine selektive Dämpfung
bedingen. Durch das Gleichspannungspotential
kann auch der Vorverstärker
des zur Anzeige dienenden Verstärkergerätes übersteuert werden, wenn es sich um
eine gleichstrommäßige Kopplung der Elektroden an das elektronische Registriergerät
handelt.
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Die zur Zeit zur Anwendung gelangenden Elektroden, die derartigen
Störungen unterliegen, sind sehr empfindlich gegenüber mechanischen Störungen, die
sich durch die Bewegung der Elektrode an der Hautoberfläche ergeben können. Eine
Bewegung der Haut relativ zu der Elektrode stört mechanisch den Elektrolyten in
der Elektrode an der Beruhrungsstelle zwischen dem Elektrodenmetall und dem Elektrolyten
und daher ergeben sich unerwunschte Signale, die der behandelnde Arzt als Bewegungsfehler
(Artifakt) bezeichnet. Ein weiterer Nachteil einiger allgemein verwendeter Elektroden
besteht darin, daß die Elektroden verhältnismäBig groß sind und schlecht an der
Hautoberfläche anzubringen sind und es daher nicht gut möglich ist, eine solche
Elektrode langer Zeit an der Hautoberfläche zu erhalten. Es gibt indessen Elektrodenanordnungen,
welche im wesentlichen frei von den vorgenannten Bewegungsfehlern sind und auch
klein sind, sie haben jedoch den Nachteil, daß sie nur sehr schwierig in geeigneter
Weise an der Haut anzubringen sind und nur eine geringe Berührungsfläche mit der
Haut bilden und daher einen hohen Signalgeber-Innenwiderstand haben. Ein solcher
Signalgeber-Innenwiderstand äußert sich. in Störspannungen, die von den Zuleitungen
der Elektrodenpaare aufgenommen werden und es ergibt sich dann ein Störsignal in
dem angeschalteten Verstärker.
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Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung, die schwache elektrische
Signale von der Haut eines Lebewesens aufzunehmen im Stande ist und mit der Haut
eine verhältnismäßig große Berührungsfläche bildet, soda3 sich ein niedriger Signalgeber-Innenwiderstand
ergibt, und die ferner frei von Bewegungsfehlern ist.
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Ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäBen Elektrodenanordnung besteht
darin, daB das Blektrodenpaar nur in sehr geringem Maße Gleichströme zwischen den
Elektroden erzeugt und daher in wesentlichen frei von den vorstehend erwahnten Polarisationserscheinungen
ist.
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Insbesondere betrifft die Erfindung eine Elektrodenanordnung zur Anzeige
schwacher elektrischer Signalströme in dem Körper eines Lebewesens, wobei die Elektrodenanordnung
derart ausgebildet ist, daß sie leicht an den Körper ansetzbar ist und die Körper
bei der Bewegung nicht stört, sodaß die Elektrodenanordnung selbst mehrere Tage
unterhalb der Kleidung getragen werden kann.
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Eine erfindungsgemäSe Elektrodenanordnung zur Aufnahme schwacher elektrischer
Signalströme an der Haut eines Lebewesens umfaßt einen scheibenförmigen Körper aus
Isoliermaterial, der eine in mit der Haut in Verbindung stehende Fläche und seinem
Inneren ein Elektrolytenreservoir aufweiet, das in eine Offnung der genannten Fläche
einmündet und in dem hinter der genannten Fläche eine Elektrode mit einem aus dem
scheibenförmigen Körper herausfiihrenden
Elektrodenzuleitungsdraht
angeordnet ist, und kennzeichnet sich dadurch, daß die Elektrode mechanisch von
der Haut des Lebewesens durch eine in dem Reservoir vorgesehene perforierte Trennwand
getrennt ist, deren Perforationsöffnungen so klein sind, daß ; wenn die genannte
Wand sich in BerUhrung mit der Hautoberflächf befindet, eine Bewegung der Haut oder
Kompression derselben in die offnungen hinein eine wesentliche mechanische Störung
des Elektrolyten in dem Reservoir in der Nähe der Elektrode nicht zur Folge haben.
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Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachstehenden-Beschreibung eines AusfUhrungsbeispieles einer erfindungsgemäßen
Elektrodenanordnung im Zusammenhang mit den Figuren.
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Von den Figuren zeigen : Fig. la eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen
Elektrodenanordnung im Maßstab 1 : 1 wobei die Elektrodenanordnung auf die Haut
eines Lebewesens aufgesetzt dargestellt ist ; Fig. lb einen Hauptschnitt durch eine
im allgemeinen zur Benützung gelangende Elektrodenanordnung, die eine Elektrolytenberührungsfläche
hat die ebenso groß ist wie diejenige der in Fig. 1 dargestellten erfindungsgeaäßen
Anordnung ; Fig. 2 einen Hauptaohnitt durch die Elektrodenanordnung gemäß der Erfindung
in vergrUßertsm Maßstab, wobei die Haut des Körpers sikh in BerWhrung mit der die
Perforation autwei senden Wandfläche befindet, wie es sich ergibt, wenn die Elektrodenanordnung
gegen den Körper des Lebewesens gedrückt wird ;
Fig. 3 eine Ansicht
der Elektrodenanordnung von unten her geaehen in vergrößertem Maßstab.
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Wie man aus Fig. la erkennt, hat die erfindungagemäße Elektrodenanordnung
2 nur ein geringes Volumen und geringes Gewicht und kann daher ohne Belästigung
von einer Person getragen werden, während elektrische Signale zur Wiedergabe gebracht
werden. Der Durchmesser einer derartigen Elektrodenanordnung ist etwa 19 mm und
die Dicke ist etwa 4 mm ; die Dimensionen der Blektrodenanordnung könnten jedoch
auch noch kleiner sein. In Fig. Ib ist eine bekannte Elektrodenanordnung 4 dargestellt,
welche im wesentlichen frei von Bewegungsfehlern ist. Die Elektrodenanordnung hat
ein Elektrolytenreservoir 6 und eine aus einem Silberdrahtnetz bestehende Elektrode
8. DieBoxUhrungsfldche der Elektrodenanordnung mit der Haut ist im wesentlichen
bestimmt durch den Durchmesser des Elektrolytenreservoirs und dieses Maß ist bei
der Konstruktion einer für die hier zur Erörterung stehenden Zwecke geeigneten Elektrodenanordnung
von hervorragender Bedeutung. Je größer die Hautberührungsfläohe ist, um so niedriger
ist der Signalgeber-Innenwiderstand der Elektrodenanordnung. Die in den Figuren
la und lb vergleichsweise dargestellten Elektrodenanordnungen haben denselben Durchmesser
des Elektrolytenreservoirs und dementsprechend gleiche Berührungsflächen mit der
Haut.
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Man erkennt jedoch aua Fig. lb, daß das Elektrolytenreservoir 6 tief
im Verhältnis zum Durchmessers des Reservoirs ist, damit die aus einem Silbergitter
bestehende Elektrode 8, nicht durch mechanische Störungen an der Oberfläche der
Haut beeinflußt wird
und sich keine Bewegungsfehler ergeben. Es
ist offentsichtlich, daß eine Elektrodenanordnung nach Fig. 1b unbeuem wäre, von
einer Person getragen zu werden und daher ist es schwierig, am Körper einer Person
für längere Zeit eine solche Elektrodenanordnung zu befestigen. Im allgemeinen ist
ein Klebmittel 10 erforderlich, um die Elektrode an der Haut zu befestigen und ein
solches Klebmittel erfordert beträchtliche Zeit zum trocknen und hält die Elektrodenanordnung
am Körper nicht längere Zeit fest, besonders wenn der Körper sich bewegt. DemgegenUber
hat die in Fig. la dargestellte Elektrodenanordnung ein niedriges Profil und kann
daher bequemer lange Zeit getragen werden und kann auch leicht an dem zu untersuchenden
Körper angesetzt werden und hat trotzdem dieselbe Hautberührungsfläohe und zeigt
keine Bewegungsfehler.
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In Fig. 2 ist im einzelnen die Konstruktion einer erfindungsgemä-Ben
Elektrodenanordnung dargestellt, wobei diese Elektrodenanordnung ein niedriges Querschnittsprofil
hat und nicht Störungen durch Bewegungsfehler unterliegt Die Elektrodenanordnung
2 besteht aus einem verhältnismäßig dünnen scheibenförmigen Körper 12 aus isolierendem
Material beispielsweise aus Kunststof. Das Verhältnis zwischen Dicke der Scheibe
12 und ihrem Durchmesser beträgt nicht mehr als 1 : 3, sodaß die Elektrodenanordnung
niedrig ist und leicht am m Körper angesetzt werden kann und nicht unbequem zu tragen
ist. Der scheibenförmige Körper 12 hat eine ringförmige Vorderfläche 14, die auf
der Haut 16 zur Auflage gebracht wird. In der Mitte der ringförmigen Wandfläche
14 ist eine
perforierte Wand 18 nach innen versetzt angeordnet.
Hinter der Wand 18 befindet sich das Blektrolytenreservoir 20, welches durch die
Öffnungen 22 der Wand 18 mit dem AuBenraum in Verbindung steht. Auf diese Weise
dient die starre Wand 18 als eine Schutzwand, die verhindert, daß sich mechanische
Störungen an der Außenfläche des scheibenförmigen Körpers störend in den Elektrolyten
des Reservoirs 20 fortsetzen.
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Die mit 24 bezeichnete Elektrode liegt in einem gewissen Abstand von
der Yorderwandfläche 18 auf einem Absatz 26, der an der Innenwand der Öffnung 27
vorgesehen ist. Die Elektrode ist fest auf des Absatz 26 beispielsweise durch ein
Epoxyd oder durchsichtiges Kunstharz 28 befestigt, welches die Öffnung 27 aufüllt
; die Elektrode ist mit einem isolierten Leiter 30, der sich durch einen Kanal 32
aus dem scheibenförmigen Körper herauserstreckt, verbunden. Der genannte Kanal ist
mit dem gleichen Kunstharz 28 verschlossen. Binzelheiten der Elektrode 24 und ihrer
Montage in dem Körper 12 werden noch nachstehend zur Erörterung gelangen.
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Es ist wichtig, daß die ffnungen 22 in der starren Wand 18 hinreichend
klein sind, sodas, wenn die Wand in Kontakt mit der Hautfläche gebracht wird, eine
Bewegung der Haut oder ein Eindrücken der Haut in den zurdckgosetzten Raumtell der
Vorderfläohe des scheibenförmigen Körpers 12 und in. die Öffnungen 22 hinein keine
mechanische Störung des Elektrolytens in dem Reservoir 20 an der Elektrolytenberührungsfläche
34 bewirkt. Unter praktischen Verhältnissen betrdgt der Durchmesser der offnungen
22 bei einer
größenmäßig der in Fig. la dargestellten Elektrodenanordnung
etwa 1, 6 mm.. Auf diese Weise ergibt sich eine Elektrodenanordnung, die, verglichen
mit den Ublichen Elektrodenanordnungen gemäß Fig. lb, ausgesprochen niedrig ist
und trotzdem ebenfalls frei von Bewegungsfehlern ist.
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Es wurde bereits darauf verwiesen, daß eine solche Elektrodenanordnung
möglichst geringe Gleichströme zwischen einem Elektrodenpaar erzeugen soll und keine
Polarisationserscheinungen aufweisen soll und im wesentlichen die gleichen Potentiale
an ihrer Oberfläche liefern soll, wie andere ähnliche Elektroden. Eine erfindungsgemäße
Elektrodenanordnung weist diese vorteilheten Eigenschaften auf und ist frei von
den Signalverzerrungen, die sich im allgemeinen bei polarisierbaren Elektroden in
Form eines aus Silber bestehenden Netzwerkes 8 in Fig. lb ergeben. Die Elektrodenanordnung
24 ist zweckmäßigerweise eine Mischung aus pulverisiertem Silber und pulverisiertem
Silberchlorid, die zu einem etwas porösen einheitlichen Körper zusammengedrUckt
sind.
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In der amerikanischen Patentschrift 3 111 478 sind solche Elektroden
beschrieben, bei denen jedoch nicht Porosität angestrebt wird. Im Rahmen der Erfindung
ist es jedoch zweckmäßig, daß die Elektrode eine gewisse Porosität hat, sodaß sich
eine geringe Stromdiohtigkeit pro Oberflächeneinheit ergibt und dementspreohend
eine Widerstandsfähigkeit gegen Polarisation. Um eine solche Elektrode von einer
gewissen, niedrigen Porosität zu erhalten, ist es nur erforderlich, zur Formung
des Elektrodenkörpers aus den Pulver-förmigen Materialien einen entaprechend gewählten
Druck
zur Anwendung zu bringen. Im allgemeinen ist ein Druck zur Bildung eines einheitlichen
Elektrodenkörpers erforderlich, der ungefähr bei 175 kg/cm2 liegt, jedoch nichtmehr
als 355 kg/ cm2 betragen soll; unter solchen Verhältnissen ergibt sich eine von
Polarisationserscheinungen freie poröse Elektrodenmasse.
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Wendet man jedoch höhre Drucke an, so wird die Neigung zu Polarisationserscheinungen
wieder größer. Am geeignetsten hat sich eine Elektrode erwiesen, die aus 40 Gew.
% Silberpulver und 60 Gew.% Silberchloridpulver besteht, die dann, wie oben angegeben,
miteinander zusammengepreßt werden ; es können jedoch auch andere Zusammensetzungen,
wie sie in der vorgenannten amerikanischen Patentschrift angegeben sind, verwendet
werden. Wenn Silber und Silberchlorid zu der Elektrodenmasse 24 zusammengepreßt
werden, wird in das Material ein L-förmiger Silberdraht 36 eingebettet, dessen kurzer
Arm 38 senkrecht zur Fläche der Elektrode 24 hoch steht. Um die Elektrode in den
scheibenförmigen Körper 12 einzubauen, wird sie auf den Absatz 26 der Öffnung 27
aufgelegt.
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Es wird dann zunächst eine erste Schicht Epoxydharzes 40 über die
Elektrode 24 gegossen, sodaß die Elektrode eingekittet wird, während der Arm 38
des Silberdrahtes 36 durch die Harzschicht nach oben hervorsteht und mit dem Leiter
30 verbunden werden kann. Diese erste Kunstharzschicht 40 ist insofern wichtig,
als sie den Leiter 30 gegenüber der Elektrolytenflüßigkeit isoliert, die um die
Elektrode 24 herum in den oberen Raum gelangen könnte.
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Wenn dann der im allgemeinen aus Kupfer bestehende Draht 30 an den
P'ortsatz 36 des Silberdrahtes angelötet wird, kann kein
Elektrolyt
mit dem Leiter in Verbindung treten und im Außenstromkreis der Elektrodenanordnung
ein falsches Signal bewirken.
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Nachdem der Leiter 30 an dem Silberdraht 38 angelötet ist, werden
der übrige Raumteil 27 des scheibenförmigen Körpers 12 und d der anal 32, in dem
der Draht 30 liegt, vollständig mit Epoxydharz oder einem ähnlichen Harz ausgefüllt,
sodaß die Elektrode und der Zuleitungsdraht dicht eingeschlossen sind. Es können
an sich auch Elektroden 24, die in anderer Weise als vorstehend beschrieben ausgebildet
sind, im Rahmen der Erfindung angewendet werden und sind dann sicher gegenüber Bewegungsfehlern,
es ergibt sich jedoch nicht der zusätzliche Vorteil der Vermeidung von Polarisationserscheinungen
und der Vermeidung von Gleichströmen, wie es sich bei Benutzung einer Silber-pilberchlorid-Blektrode
24 ergibt. Ein weiteres Beispiel einer Elektrodenanordnung, die sich in ähnlicher
Weise eignet, besteht aus einer Silber-pilberchlorid-Blektrode, bei der elektrolytisch
auf einer Silberfläche die Silberchloridschicht erzeugt ist. Es können auch andere
Elektroden bestehend aus einem pulverförmigen Metall und einem pulverförmigen Metallsalz
verwendet werden, doch ergeben sich dann nicht die äußerst günstigen Resultate,
die durch Anwendung einer Silber-, Silberchlorid-Elektrode wie oben beschrieben
sich ergeben.
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Die effindungsgemäße Elektrodenanordnung kann in einfacher Wjise am
Körper der Versuchsperson oder eines Tieres mittels eines Klebstoffes, der auf die
Fläche 14 des scheibenförmigen Körpers
12 aufgebracht wird, in
der Weise befestigt werden, daß lediglich der scheibenförmige Körper auf die Haut
aufgesetzt wird und etwas angedrückt wird, sodaß der Klebstoff die Verbindung bewirkt.
Es kann jedoch auch in anderer Weise die Elektrodenanordnung am Körper der Yersuchaperson
befestigt werden, und zwar derart, daß in einfacher Weise eine Neufüllung des Elektrolytenreservoirs
20 mit einem geeigneten Elektrolyten möglich ist, ohne daß der Elektrolyt die Fläche
14 benetzt, was dazu führen könnte, daß der Klebstoff unwirksam wird. Zu diesem
Zweck kann ein Heftpflaster in Form einer Ringscheibe 42, die aus einer Zwischenschicht
aus Papier oder Kunststoff und zwei äußeren Klebstoffschichten und einer vierten
Papierschicht besteht verwendet werden. Die aus vier Schichten bestehende Heftpflasterringscheibe
wird dann auf die Fläche 14 der Elektrodenanordnung aufgebracht und das Elektrolytenreservoir
mit einem Elektrolyten unter Anwendung einer durch die Öffnung 22 eingebrachten
Injektionsspritze gefüllt, beispielsweise mit einem Gallert, das Natriumchlorid
enthält. Es wird soviel Elektrolyt eingebracht, daß das Reservoir 20 und die Offnungen
22 und der zurückgesetzte Gehäuseteil der Vorderfläche 14 der Elektrodenanordnung
vollständig gefüllt sind. Im allgemeinen ergibt sich dabei zuviel Elektrolyt für
das Niveau der Vorderfläche 14 der Elektrodenanordnung und diese überschüssige Elektrolytenmenge
wird dann durch Abstreifen mit einer flachen Fläche, beispieleweise der Injektionsnadel,
ber die Vorderfläche des scheibenförmigen Körpers hinweg abgewischt. Danach wird
die ußerste Papierschicht der aus Heftpflaster bestehenden Ringscheibe
42,
die in der Figur nicht dargestellt ist, entfernt und es verbleibt dann die Klebstoffschicht
44, die von dem Elektrolyten unbenetzt ist und dazu dienen kann, die Elektrodenanordnung
an, dem Körper der Versuchsperson zu befestigen. Wenn die Elektrodenanordnung in
dieser Weise am Körper der Versuchsperson befestigt ist, durchsetzt der Elektrolyt
die oberste Schicht der Haut und liefert eine Salzbrücke als elektrische Verbindung
zwischen den Schichten der Haut und der Elektrode 24 innerhalb der Elektrodenanordnung.
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Erfindungsgemäße Elektrodenanordnungen wurden an der Brust eines Menschen
fUr langer Zeit, beispielsweise 4 Tage, benutzt. Während dieser Zeit konnte die
Versuchsperson ihre Ubliche Tätigkeit ausAbent sich auch brausen, Gymnastik treiben
usw., wobei sich keine Polarisationseffekte oder Bewegungsfehler der Elektrodenanordnung
einstellten. Eine erfindungsgemäBe Elektrodenanordnung wurde auch verwendet, um
von der Brust und den Gliedern einer Versuchsperson ein Elektrokardiogramm zu steuern,
an bestimmten Muskeln elektromyographische Signale zu erzeugen, elektrokardiographische
Signale eines Embrio vom Unterleib einer Frau zu leiten, elektrooculographisohe
Signale, welche die Bewegungen des Auges charakterisieren von einer Hautstelle in
der Nähe der Augen abzuleiten und elektroenoephalographische Signale an geeigneten
Stellen der Kopfhaut abzuleiten.
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Patentansprüche :