DE1762360A1

DE1762360A1 - Verstaerker fuer biologische Messungen

Info

Publication number: DE1762360A1
Application number: DE19681762360
Authority: DE
Inventors: Plaszczynski Romuald Jean; Babicka Claude Vaclav
Original assignee: Thomson Medical Telco SA
Current assignee: Thomson Medical Telco SA
Priority date: 1967-06-08
Filing date: 1968-06-04
Publication date: 1970-05-21
Also published as: SE349400B; GB1214918A; DE1762360B2; US3533003A

Description

ipl.-lng. Dipl. o«t p

DIETRiCM ι FWlNSKY

PATENTANWALT München 21 - Gotthordstr. SI

Tel.fon 5617«

THOMSON MEDICAL TELCO, Paris 15e, Boulevard Pasteur 83

(Prankreich)

"Verstärker für biologische Messungen"

Französische Priorität vom 8. Juni 1967 aus der französi- I

sehen Patentanmeldung Nr. 109 55^ (Seine)

Die Erfindung betrifft einen Verstärker für biologische Messungen mit einem Vorverstärker und einer mit diesem über eine RC-Schaltung verbundenen Verstärkerstufe.

Verstärker für biologische Messungen sind im allgemeinen aus mehreren Verstärkerstufen gebildet, die untereinander durch RC-Glieder verbunden sind. Derartige Verstärker besitzen eine bedeutende Sperrzeit in der Größenordnung von mehreren Sekunden und benötigen eine lange Zeit zwischen dem Augenblick des Anschlusses des Untersuchungsobjektes am Eingang und dem Erscheinen von verstärkten biologischen Erscheinungen, wie Elektrokardbgrainme oder Elektroenzephalo-

PROP. 4275/Th.M^d.Telco

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gramme, am Ausgang, die auf einem Oszilloskop oder einem Schreiber untersucht werden. Ebenso ruft jede Störung am Eingang, wie ein Wechsel der Ableitung, ein Defibrillations-Schock, wenn sie nicht die Eingangsstufe zerstört, die Sperrung des Verstärkers für mehrere zehn Sekunden hervor. Um diese Sperrzeit zu verringern, verwendet man im allgemeinen mechanische Vorrichtungen, wie Druckkontakte, oder elektromechanische Vorrichtungen, wie Relais, die die Möglichkeit geben, alle Zeitkonstanten des RC-Gliedes zwischen den Verstärkerstufen kurzzuschließen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verstärker der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Zeitkonstante des zwischen dem Vorverstärker und einer diesem folgenden Verstärkerstufe liegendem RC-Gliedes im Fall einer Blockierung augenblicklich und selbsttätig ausschaltbar 1st. Diese Aufgabe ist bei dem hier vorgeschlagenen Verstärker vor allem dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die RC-Schaltung mit einer sie gegebenenfalls kurzschließenden elektronischen Schaltung verbunden ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verstärkers besteht darin, daß die elektronische Schaltung parallel zu den Widerständen der RC-Schaltung geschaltete Feldeffekttransistoren aufweist.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungs-

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BAD ORIGINAL

gemäßen Verstärkers besteht darin, daß die Verstärkerstufe mit Feldeffekttransistoren ausgerüstet ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verstärkers besteht darin, daß ein die elektronische Schaltung steuernder Gleichstromverstärker vorgesehen ist.

Weitere Merkmale und durch sie eriielte Vorteile gehen aus der sich auf die Zeichnung beziehenden Beschreibung hervor. "

In der Zeichnung ist die Verstärkerkette für die Verstärkung elektrobiologischer beispielsweise elektrokardischer Erscheinungen, die von dem Untersuchungsobjekt Su mittels der Elektroden E₁, E₂, E-*, E^ abgenommen werden, dargestellt. Diese Verstärkerkette umfaßt einen Vorverstärker P mit einer geringen Spannungsverstärkung, beispielsweise 7· Dieser Vorverstärker ist mit einem Schutz gegen hohe Spannung und einem Ableitschalter ausgerüstet. Er dient dazu, eine sehr hohe Eingangs impedanz größer als 1 Vl J\ eine große Kennliniensteigurig, d.h, eine große Dämpfung von Störsignalen größer als 10 000, eine Dynamik größer als MOO mV und, wie im vorhergehenden bereits ausgeführt, einen Schutz gegen am Eingang anliegenden Hochspannungen, wie z.B. bei einem Defibrillations-Schock, bei dem die angelegte Spannung 2000 Volt überschreiten kann, zu gewährleisten.

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Weiterhin umfaßt diese Verstärkerkette eine Verstärkerstufe A₁, bei der vorzugsweise eine integrierte Schaltung C^ die eine Spannungsverstärkung von beispielsweise 700 gewährleistet, eine Schaltung C zur Vertikaljustierung der Grundlinie auf einem Schreiber und eine Verstärkungsregelung ohne Verschiebung der Grundlinie verwendet wird.

Weiter umfaßt die Verstärkerkette einen Gleichstromverstärker Ap, dessen Bedeutung im folgenden noch geklärt wird, ein Speichergerät E, das ein Oszllloskop oder ein Schreiber sein kann, und eine Verbindungsschaltung L zwischen dem Vorverstärker P und der Verstärkerstufe A₁.

Ourch die Verbindungsschaltung L werden folgende Funktionen erfüllt:

Die Trennung zwischen den beiden Verstärkern P und A₁ von am Eingang angelegten Gleichspannungen, die sich beispielsweise durch die Vorspannung des Systems Elektroden-Objekt ι ergeben und die einige hundert Millivolt für ein elekt'robiologlsches Signal von 1 mV im Fall eines Elektrokardiogramms oder auch von einigen zehn u V im Fall eines Elektroencephalogramme annehmen können;

die Bildung der RC-Zeitkonstanten, die für die übertragung der untersuchten elektrobiologischen Erscheinung notwendig ist und in der Größenordnung von 2 Sekunden für ein Elektrokardiogramm und 0,7 Sekunden für ein Elektroencephalogramm liegt;

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den augenblicklichen und selbsttätigen Kurzschluß dieser Zeitkonstanten, wenn der Pegel des Eingangssignals eine gewisse Schwelle beispielsweise beim Ansetzen der Elektroden, beim Wechsel der Ableitung, bei einer Defibrillation oder einem elektrischen Antreiben des Herzens durch einen Schrittmacher überschreitet;

das schnelle Wiedereinschalten und Abgleichen des Verstärkers nach dem Verschwinden des Störsignals.

In der in der Zeichnung dargestellten beispielsweise gewählten Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verstärkers werden die Zeitkonstanten der Verbindungsschaltung L durch geringe Kapazitäten C₁, C₂, wie Mylar-Kondensatoren von jeweils 0,22 uP, und durch große Widerstände R₁, R₂ von jeweils 10 MJL gebildet. Diese Art,, die die Verwendung von elektrochemischen Kondensatoren großer Kapazität vermeidet, ist möglich, da der Eingang der Verstärkerstufe A₁ mit Feldeffekttransistoren ausgerüstet ist, die eine Impedanz von mehr als 10^ Ohm aufweisen.

Man erhält so eine Verbindung zwischen dem Vorverstärker P und der Verstärkerstufe A₁ mit einer Zeitkonstanten, die gleich oder größer als 2 Sekunden ist, indem man geringe Werte der Kapazitäten C₁, C₂ verwendet, die sich im Fall der Sperrung des Verstärkers A₁ leicht entladen. Dazu genügt es, daß die Widerstände R₁ und R₂ von 10 M7l/durch viel kleinere Widerstände mit einem Wert von beispielsweise 100./L^

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im Nebenschluß überbrückt werden. Dies wird in dem erfindungsgemäßen Verstärker durch die Schalt-Feldeffekttransistoren Q₁J und Qc gewährleistet.

Tatsächlich sind die Gitterelektroden 3 und 4 der in den Schaltungspunkten 1 und 2 parallel zu den Widerständen FL und Rp geschalteten Transistoren negativ für den Kanal N unterhalb der Einschnürspannung (Pinch-off-voltage) vorgespannt. Die Transistoren weisen einen Anoden-Kathoden-Widerstand (drain-source) auf, der größer als 1000 M-A. ist und praktisch nicht die Zeitkonstanten der Verbindung (FL = 10 M A und R₂ = 10 ΜΛ) für normalen Betrieb des Verstärkers beeinflußt. Im Fall einer Störung Jedoch, die beispielsweise auf das Unterbrechen der Elektroden-litzen, einen Wechsel der Ableitung, einen Defibrlllations-Schock, einen Antrieb des Herzens durch einen Schrittmacher, usw. ... zurückzuführen ist, stellt sich am Ausgang des Verstärkers ein bedeutendes Nichtgleichgewlcht ein und das Potentiell der Punkte 5 oder 6, je nach der Polarität des Störsignals am Eingang, erhöht sich oberhalb einer Schwelle, die durch den regelbaren Widerstand Rg bestimmt ist, der in dem Gleichstromverstärker A₂ enthalten ist und den Verstärkungsgrad dieses Verstärkers regelt. In dem Gleichstromverstärker A₂ bilden die Dioden D^, D₂ und der Widerstand R, eine logische ODER-Schaltung, die den erfindungsgemäßen Verstärker in den beiden Fällen schaltet, wenn das Potential des Punktes 5 oder des Punktes 6 zu groß wird, was positiven oder negativen Störungen am Eingang der Verstärkerkette entspricht.

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Der Transistor Q^ und der Widerstand R^ bilden eine Impedanzanpassung, die den Ausgang des Verstärkers A. von der Verbindungsschaltung trennt.

Die Transistoren Q₂ (pnp), Q, (npn) und die Widerstände Rc, Rg, R-Jt Rg sind die wesentlichen Teile des Gleichstromverstärkers .A₂ mit durch den Widerstand Rg regelbarem Verstärkungsgrad. Durch diesen Verstärker werden die notwendigen Vorspannungen gegeben, um die Gitterelektroden 3 und ^ der Feldeffekttransistoren Q^ und Qc zu steuern. Das Potential der Gitterelektroden 3 und 4 wächst beispielsweise von -7V bis OV und die beiden Transistoren Qj₁ und Qc werden leitend und ihre Anoden (D) - Kathoden (S) -Widerstände fallen auf etwa 100 JL und überbrücken so die Widerstände R^ und Rp.

Daraus ergibt sich, daß die Zeitkonstante, beJ^ielsweise durch 1O^ geteilt, von zwei Sekunden auf 20 μ Sekunden übergeht. Diese auf die Schaltungen C₁ Q^ und C₂ Qc» wobei Q₁J und Qc leitend sind, zurückzuführende sehr kurze Zeit-

das durch konstante bes'teht während einer Periode, die durch/die Kapazität C-, und den regelbaren Widerstand Rg gebildete Integrierglied des Verstärkers A₂ bestimmt ist. Diese Periode kann beispielsweise zwischen 10 und 1000 msec eingestellt werden. Wenn im Lauf dieser Periode die Störung am Eingang des Vorverstärkers verschwindet werden die Gitterelektrode-n 3 und 4 wieder negativ und die Transistoren Q₁.

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und Qc gesperrt und der Betrieb der Verstärkerkette wird wieder normal. Wenn die Störung nicht verschwunden ist, bleibt die Verbindungsschaltung im Kurzschluß. Daraus ergibt sich, daß die Sperrzeit der Verstärkeranordnung auf den Bruchteil einer Sekunde statt auf mehrere Sekunden, wie bei bisher verwendeten Vorrichtungen, verringert wird.

Die Schaltung des erfindungsgemäßen Verstärkers kann außer bei biologischen Verstärkern allgemein dort verwendet " werden, wo medizinische Sicherheit und die augenblickliche Sichtbarmachung von elektroblologischen Erscheinungen erforderlich sind.

Im Fall eines Verstärkers mit hohem Verstärkungsgrad, beispielsweise einem elektroencephalographischen mit einem Verstärkungsgrad von 100 000 und mehr, kann man in der Verstärkungskette mehrere RC-Verbindungen zwischen den verschiedenen Stufen verwenden, die erfindungsgemäß ausgestaltet sind.

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Claims

4. Juni 1968 5l4l-II/Sb

THOMSON MEDICAL TELCO, Paris 15e, Boulevard Pasteur 83

(Frankreich)

Patentansprüche: ■

1. Verstärker für biologische Messungen mit einem Vorverstärker und einer mit diesem über eine RC-Schaltung ver- , bundenen Verstärkerstufe, dadurch gekennzeichnet, daß die ™ RC-Schaltung mit einer sie gegebenenfalls kurzschließenden elektronischen Schaltung (L) verbunden ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung parallel zu den Widerständen (R₁, R₂) der RC-Schaltung geschaltete Feldeffekttransistoren' (Q^, Qc) aufweist.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärk»
ausgerüstet ist.

daß die Verstärkerstufe (A₁) mit Feldeffekttransistoren

4. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein die elektronische Schaltung (L) steuernder Gleichstromverstärker (Ap) vorgesehen ist.

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