DE2104850B2 - Schaltungsanordnung zur ueberpruefung des elektroden-uebergangswiderstandes waehrend der registrierung von mittels differenzverstaerkern verstaerkten bioelektrischen signalen - Google Patents
Schaltungsanordnung zur ueberpruefung des elektroden-uebergangswiderstandes waehrend der registrierung von mittels differenzverstaerkern verstaerkten bioelektrischen signalenInfo
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Description
30
35
Aus dem Aufsatz »Beitrag zum Entwurf eines Differenzverstärkers« in »Technische Rundschau«,
55. Jg, Nr. 25 vom 7. Juni 1963, Seite 2 ist eine Schaltungsanordnung zur Registrierung von mittels
Differenzverstärkern verstärkten bioelektrischen Signalen bekannt Bei der Registrierung von mittels
Differenzverstärkern verstärkten bioelektrischen Si-
1 ** - -- J — Π L-.: _;„,».. C;nnn lon/la
Zur Lösung a.eser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gekennzeichnet durch eine einseitig
mit dem Potential-Bezugspunkt der Verstarkerscha tune
verbundene Wechsel- oder Gleichspannungsquel-Ie deren freier Anschluß über je eine Impedanz an jede
Elektroden-Anschlußklemme der Verstärkeranordnung anschaltbar ist wobei alle Impedanzen von gleicher Art
und gleichem Wert und derart bemessen sind, daß sie im
Vergleich zu den Übergangswiderständen der Elektroden sehr viel größer sind und kleiner im Vergleich zu
den Eingangswiderständen der Verstärkeranordnung
Durch die einseitige Verbindung der Wechsel- oder
Gleichspannungsquelle als ^spannungsgenerator über je eine erfindungsgemäß beschaffene Impedanz
wird erreicht, daß die Überlagerung der Prüfspannung
ohne Wirkung auf die Registrierung ist so daß diese nicht unterbrochen werden muß. Ändert sich ein
Übergangswiderstand bezüglich des anderen, so tritt bei der Registrierung während des Prüfvorgangs eine
aueenfäliige Veränderung der Kurvenform der aufgezeichneten Biosignale zutage. Es liefern nur unterschiedliche
Übergangswiderstände der Elektroden eine Anzeige; eine Anzeige erfolgt jedoch nicht, wenn sich
die Übergangswiderstände der Elektroden zugleich in gleichem Ausmaß ändern. Eine gleichzeitige Änderung
der Übergangswiderstände im gleichen Ausmaß ist aber während einer Registrierung unwahrscheinlich und tritt
höchstens dann auf, wenn beide Elektroden nach Abschluß einer Messung gleichzeitig vom lebenden
Körper abgenommen werden. Im übrigen würde eine gleichzeitige Erhöhung der Übergangswiderstande der
Elektroden im gleichen Ausmaße die Messung nicht beeinflussen, solange die Übergangswiderstände eine
Ableitung von bioelektrischen Signalen ermöglichen.
Vorzugsweise ist ein Schalter zwischen dem gemeinsamen Anschlußpunkt der Impedanzen und der
Wechsel- oder Gleichspannungsquelle geschaltet. Es soll hier aber darauf hingewiesen werden, daß die
werden kann. Um zu einer richtigen Bewertung zu gelangen, wird bei den bekannten Registrieranordnunzwei
Ausführungsformen de, S^ soller
uai-ii^upiui^u. ~-« ——-....
Elektroden über ein Ohmmeter eine Gleichsspannungsquelle verbunden und der Übergangswiderstand der
einzelnen Elektrode gemessen. Es wird nachgeprüft, an welcher der Elektroden der erhöhte Übergangswiderstand
aufgetreten ist. Bei der bekannten Schaltungsanordnung ist somit eine Unterbrechung der Registrierung
erforderlich, so daß nur ein umständliches und zeitraubendes Arbeiten möglich ist. Zur Bestimmung
des Übergangswiderstandes der einzelnen Elektrode kann anstelle einer Gleichspannungsquelle auch eine
Wechselspannungsquelle eingesetzt werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Prüfschaltungsanordnung der genannten Art zu schaffen,
bei der beim Auftreten einer anormalen Wellenform in dem zu registrierenden Signal schnell und in
F ι g. l ein BiocKscnauuiiu eines Enzephalographei
mit einer bekannten Prüfschaltungsanordnung,
Fig.2 das Blockschaltbild eines Enzephalographei
mit einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemä Ben Prüfanordnung und
Fig.3 einen anderen Enzephalographen mit de
erfindungsgemäßen Prüfschaltungsanordnung.
Bei dem in der F i g. 1 gezeigten Enzephalographe weisen die als Widerstände dargestellten Elektroden
und 2 die Übergangswiderstände A1 bzw. R2 auf. Di
Elektroden 1 und 2 sind mit den ElektrodenanschluC klemmen eines Dirferenzverstärkers 3 verbunden, de
ausgangsseitig mit einem Schreiber 4 verbunden ist. Di in der F i g. 1 gezeigten Signalquellen 5 und 6 stellen di
Quellen für das von einem menschlichen Gehir erzeugte Gehirnwellensignal es bzw. für ein Störsignj
e„ dar. Zwischen den Elektroden-Anschlußklemmen
liegen in Reihenschaltung die beiden Einpangswiderstände
7 und 8 des Differenzverstärkers mit einem Widerstandswert von R4* Der gemeinsame Anschlußpunkt
der beiden Eingangswiderstände ist der Potential- s Bezugspunkt des Differenzverstärkers und liegt d?her
an Masse. Unter Annahme eines idealen Verstärkers werden im folgenden die Vei Stärkungsgrade für die
beiden möglichen Fälle angegeben, und zwar einmal für Phasengleichheit der Signale e„ und e$ uad zum anderen
für Phasenverschiebung zwischen den Signalen e„ und
Der Verstärkungsgrad E05 der phasenverschobenen
Signale ist:
15
2R„
2R9 + R1 + R2
Ae,.
Wenn
dann ist
2K9
R1 + R2,
= Λ ■ es
Hierin ist A der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 3.
Der Verstärkungsgrad JEin der in Phase befindlichen
Signale ist:
Eon \ ι
(R1 + R9) (R2 + R9) [
^^■\A-e„.
Wenn
dann ist
R9
Eon = Aen. (2)
35
40
Da die Gleichtaktunterdrückung im allgemeinen durch den Quotienten EonZEa5 angegeben wird, ergibt
sich:
-On
(3)
Rn
Somit läßt sich durch Erfüllung der Bedingung R2 = R]
die Registrierung der Gehirnwellen stabilisieren. In der Praxis ist es jedoch nicht möglich, gleiche Übergangswidcrstände
an verschiedenen Elektroden zu erhalten. Auch wenn somit Ri nicht stets gleich R2 gehalten
werden kann, könnte man jedoch durch genügende Verkleinerung dieser Widerstandwerte einen kleinen
Wert für das Verhältnis Eon/Eos und somit eine stabile
Aufzeichnung der Gehirnwellen erzielen. Aus diesem Grunde hat man sich bemüht, den Übergangswiderstand
durch Zwischenschaltung einer Kxmtaktpaste zu verbessern. Da jedoch beispielsweise für die Messung von
Gehirnwellen eine Vielzahl von Elektroden erforderlich ist, z. B. 24 Elektroden, ist es aufwendig, die Übergangswiderstände aller Elektroden herabzusetzen.
Da während der Registrierung von bioelektrischen Signalen der lebende Körper über eine längere Zeit
ruhiggestellt wird, verschlechtern sich die Bedingungen
50
für eine Kontaktgabe zwischen den Elektroden und der Haut durch Austrocknen der Paste oder durch
Bewegungen des Körpers, wodurch der Übergangswiderstand erhöht wird. Die Erhöhung des Übergangswiderstandes
ergibt aber eine anormale Wellenform der registrierten Gehirnwellen und es ist schwierig zu
unterscheiden, ob diese anormale Wellenform durch Erhöhung des Übergangswiderstandes oder durch eine
krankhafte Signalgebung des Gehirns selbst verursacht wird. Um zu einer richtigen Bewertung zu gelangen,
wird in der Praxis die Registrierung der Gehirnwellen unterbrochen, um die Größe des Übergangswiderstandes
an den einzelnen Elektroden nachzuprüfen, um dies zu ermöglichen, ist bei dem in der F i g. 1 gezeigten
Enzephalographen ein von einer Gleichspannungsquelle 9 gespeistes Ohmmeter 10 vorgesehen, wobei
zwischen Gleichspannungsquelle 9 und Ohmmeter 10 ein Schalter 11 liegt. Dem Ohmmeter 10 ist ein
Wechselschalter 12 derart vorgeschaltet, daß nach Unterbrechung der Registrierung die Gleichspannungsquelle 9 zunächst mit der Elektrode 1 und dann mit der
Elektrode 2 verbindbar ist. Es wird nachgeprüft, an welcher Elektrode eine Erhöhung des Übergangswiderstandes
stattgefunden hat Dieses Prüfverfahren erfordert somit eine Unterbrechung der Registrierung der
Gehirnwellen und eine Betätigung der Schalter It und 12, so daß dieses Verfahren umständlich und zeitraubend
ist.
Bei dem in der F i g. 2 gezeigten Enzephalographen ist die Quelle 6 des Störsignals e„ fortgelassen worden.
Einem Differenzverstärker 13 sind Eingangswiderstände 13a und 136 mit einem Widerstandswert von Rg
zugeordnet, die in Reihe zwischen den Elektrodenanschlußklemmen 14 und 15 liegen. Der Verbindungspunkt
der beiden Eingangswiderstände 13a und 136 liegt an Masse.
Eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen 16 und 17 mit gleichem, aber im Vergleich zu dem Widerstandswert
Rg der Eingangswiderstände 13a und 136 kleinem Widerstandswert R ^ liegt zwischen den Eingangsklemmen
14 und 15. Der Verbindungspunkt 18 zwischen den beiden Widerständen 16 und 17 ist über einen Schalter
19 mit der einen Klemme eines Prüfoszillators 20 verbunden, dessen andere Klemme an Masse liegt. Die
Widerstandswerte R'g sind so bemessen, daß sie nicht
nur kleiner im Vergleich zu den Werten R^ der Eingangswiderstände sind, sondern auch viel größer im
Vergleich zu den Übergangswiderständen Ri, R2 der
Elektroden 1 bzw. 2.
Wird der Schalter 19 geschlossen, um den Prüfoszillator 20 mit dem gemeinsamen Anschlußpunkt 18 der
beiden Widerstände 16 und 17 zu verbinden, so kann unter der Voraussetzung, daß die Eingangswiderstände
R^ viel größer sind als die Übergangswiderstände Ri, R2
bzw. deren Summe, die sich ergebende Ausgangsspannung Eq des Differenzverstärkers 13 durch die folgende
Gleichung ausgedrückt werden:
(lO Eq
Reg ^1 ± Reg \
4- Reg R9 +- R1 f Reg )
worin eg die Spannung des Prüfoszillators ist und Reg
der Wert eines zwischen dem Neutralpunkt der Quelle 5 (>s und Masse liegenden Widerstandes 21 isi.
Unter der Annahme, daß die Widerstandswerte R^. im
Vergleich zu den Übergangswiderständen Ri und R2 der
Elektroden 1 und 2 sehr viel größer sind, ergibt sich für
die Ausgangsspannung Eo die folgende Gleichung:
Ai — Ki
R's
ge.
(4)
Die durch das Prüfsignal ge hervorgerufene und durch die Gleichung (4) ausgedrückte Ausgangsspannung
des Differenzverstärkers 13 ist eine Funktion der Differenz der Übergangswiderstände R2 und R\ der
Elektroden 1 und 2 solange der Verstärkungsfaktor A des Verstärkers, die Ausgangsspannung ge des Prüfoszillators
und der Wert R'g der zu Prüfungszwecken eingeschalteten Widerstände 16 und 17 konstant sind.
Jede Änderung der Ausgangsspannung Eo ist somit ein
Maß für die Änderung eines der Übergangswiderstände R\ und Ri an den Elektroden 1 und 2 bezüglich des
anderen.
Wird bei Betrieb des Enzephalographen ein Anwachsen der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 13
festgestellt, so kann das Anwachsen der Ausgangsspannung zum einen auf ein anormales, d. h. krankhaftes
Biosignal zurückgeführt werden, zum anderen aber kann eine derartige Amplitudenänderung auch durch
Änderung des Übergangswiderstandes R\, R2 an einer
der beiden Elektroden hervorgerufen werden, selbst dann, wenn ein Biosignal normaler Amplitude erfaßt
wird. Bei Feststellung einer Signaländerung am Ausgang des Differenzverstärkers kann die Bedienungsperson
den Schalter 19 schließen, so daß die Prüfoszillatorspannung ge auf den Anschlußpunkt 18
der Prüfwiderstände 16 und 17 gegeben wird. Da die Widerstandswerte R'g gleich groß sind, führt ein
Schließen des Schalters 19 zu einer Änderung der Ausgangsspannung des Verstärkers, wenn das von der
Bedienungsperson beobachtete Anwachsen des zu registrierenden Signals darauf zurückzuführen ist, daß
sich der Übergangswiderstand an einer der beiden Elektroden 1 und 2 gegenüber dem Übergangswiderstand
an der anderen Elektrode verändert hat. Wenn eine solche Übergangswiderstandsänderung an der
Haut der zu überwachenden Person nicht vorliegt, führt ein Schließen des Schalters 19 bei Beobachtung eines
anormalen Registriersignals nicht zu einer Beeinflussung des Ausgangssignals des Differenzverstärkers, da
beide Prüfwiderstände 16 und 17 den gleichen Wert R'g
aufweisen. Eine nicht bemerkbare Änderung des Ausgangssignals beim Schließen des Schalters 19 kann
daher nur so ausgelegt werden, daß das festgestellte anormale Ausgangssignal ein anormales Biosignal ist
und nicht durch eine Änderung des Übergangswiderstandes an einer der Elektroden hervorgerufen wird.
Die Registrierung der Gehirnwellen braucht während der Überprüfung durch Schließen des Schalters 19 nicht
unterbrochen zu werden.
Wenn festgestellt wird, daß die Anomalie des aufzuzeichnenden Signals von einer Änderung des
Übergangswiderstandes an einer der Elektroden 1 und/oder 2 herrührt, wird der Übergangswiderstand an
den beiden Elektroden 1 und 2 nachgestellt, z. B. durch erneutes Aufbringen von Kontaktpaste, während das
auf dem Schreiber aufgezeichnete Signal beobachtet wird, um eine stabile Registrierung der Gehirnwellen zu
erhalten.
Die Fig. 2 betrifft eine Einkanalmessung unter Verwendung von nur zwei Elektroden; solche Messungen
werden relativ selten durchgeführt, vielmehr werden 8 bis 16 Kanalmessungen durchgeführt und
jeweils eine ausgewählte Elektrode wird zusammen mit einer gemeinsamen Bezugselektrode an den Differenzverstärker
angeschlossen. Die F i g. 3 zeigt einen Enzephalographen für 2-Kanalmessung. Die Elektroden
1 und 2, der Differenzverstärker 13 und der Schreiber 4
s bilden einen Kanal zur Messung des Gehirnwellensignals
es der Quelle 5, während die Elektroden 2 und 100,
der Verstärker 131 und der Schreiber 41 einen zweiten Kanal zur Messung des Gehirnwellensignals e's einer
Quelle 51 bilden, wobei die Elektrode 2 beiden Kanälen
ίο gemeinsam ist. Zwischen den Eingangsklemmen 14 und
15 des Differenzverstärkers 13 liegen die Prüfwiderstände 16 und 17 mit einem Widerstandswert R'g. Ihr
gemeinsamer Anschlußpunkt 18 ist über den Schalter 19 mit dem Prüf oszillator 20 verbunden.
Über den Eingangsklemmen 141 und 151 des Differenzverstärkers 131 liegt parallel zu dessen
Eingangswiderständen 131a und 1316 mit dem Widerstandswert Rg die Reihenschaltung aus dem Widerstand
17 und einem Widerstand 21, der den gleichen Widerstandswert R'g aufweist. Der gemeinsame Anschlußpunkt
18 der Widerstände 16 und 17 fällt mit dem gemeinsamen Anschlußpunkt der Widerstände 17 und
21 zusammen. Die Widerstände 16, 17 und 21, die der Zufuhr der Prüfsignale dienen, haben den gleichen
Widerstandswert R'g von z. B. 5 MOhm. Weiterhin kann
neben dem Widerstand 21 vom Wert Rcg noch ein
weiterer Erdungswiderstand 211 mit dem Wert R'ee
vorgesehen sein, doch genügt gewöhnlich einer der Widerstände 21 und 211.
Bei der Schaltung gemäß Fig.3 können die Ausgangsspannungen der Differenzverstärker 13 und
131 entsprechend der Gleichung (4) errechnet werden, wenn die bei deren Ableitung gemachten Voraussetzungen
auch hier gemacht werden:
Ausgangsspannung Eq\ des Verstärkers 13:
R2-R1 ,
Λ ■ ge .
Ausgangsspannung £02 des Verstärkers 131:
A ge.
R'„
wobei A und A' die Verstärkungsfaktoren der Verstärker 13 bzw. 131 sind.
Die Gleichungen (5) und (6) zeigen, daß auch bei mehrkanaligen Enzephalographen ähnliche Beziehun
so gen gelten wie bei dem Encephalograph gemäß F i g. 2
so daß auch hier die Ausgangssignale der Differenzver stärker proportional dem Verhältnis der Differenz dei
Übergangswiderstände und dem Wert R'g der Prüf
widerstände werden. Wie bei der Ausführungsform dei Prüfschaltungsanordnung gemäß F i g. 2 kann somi
auch bei mehrkanaligen Enzephalographen ein Um schalter in Fortfall kommen, wie er in Form de
Schalters 12 bei dem Enzephalographen gemäß Fig. erforderlich ist. Mit der vorgeschlagenen Prüfschal
<>o tungsanordnung können also nicht nur die Übergangs
widerstände im Falle einer Einkanalmessung ohm Unterbrechung der Registrierung überprüft werder
sondern es kann auch gleichzeitig eine Überprüfung de Übergangswiderstände bei mehrkanaligen Enzephalo
f\s graphen unter Verwendung nur eines einzigen Schalter
19 geprüft werden. Weiterhin kann durch die Verbin dung der einen Enden einer Mehrzahl von Prüfwider
ständen mit den zugeordneten Elektroden und durch di
7 W
Verbindung der anderen Enden der Prüfwtderstände ein Verstärker nicht parallel geschaltet sind.
z" und derselben Prüfspannungsquelle eine Messung der Im Zusammenhang mit den Ausführungsformen
:n Gehirnwellen mit hoher Genauigkeit erfolgen, selbst gemäß Fig. 2 und 3 sind ohmsche Widerstände 16,
:" wenn mehrere Differenzverstärker gemeinsam mit und 21 beschrieben worden. Als Impedanzen für das
einer Elektrode verbunden sind, wie dies in der F i g. 3 f. Zuschalten der Prüfsignale können aber auch Konden-
j!" gezeigt ist, da die Widerstände in bezug auf die satoren eingesetzt werden.
Γ- :r it
er Hier/u 2 Blatt Zeichnungen
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er ;n in in
ie id π, n-
Claims (5)
1. Schaltungsanordnung zur Überprüfung des Elektroden-Übergangswiderstandes während der
Registrierung von mittels Differenzverstärkern verstärkten bioelektrischen Signalen, gekennzeichnet durch eine einseitig mit dem Potential-Bezugspunkt
der Verstärkerschaltung (13; 131) verbundene Wechsel- oder Gleichspannungsquelle
(20), deren freier Anschluß über je eine Impedanz (16; 17) an jede Elektroden-Anschlußklemme (14; 15)
der Verstärkeranordnung anschaltbar ist, wobei alle Impedanzen von gleicher Art und gleichem Wert
(R'g)und derart bemessen sind, daß sie im Vergleich
zu den Übergangswiderständen (R), Ri) der Elektroden
sehr viel größer sind und kleiner im Vergleich zu den Eingangswiderständen (Rg) der Verstärkeranordnung
(13).
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (19) zwischen den
gemeinsamen Anschlußpunkt (18) der Impedanzen (16, 17) und die Wechsel- oder Gleichspannungsquelle (20) geschaltet ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle einen
Wechselspannungsoszillator (20) aufweist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Impedanzen (16,17,18) ohmsche Widerstände sind.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Impedanzen (16,17,18) Kondensatoren sind.
einfacher Weise zwischen einem vom Organismus abgegebenen anormalen Biosignal und einer anormalen
Signaländerung aufgrund unterschiedlicher Änderung der Übergangswiderstände der Elektroden unterschie-
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