DE2104850B2

DE2104850B2 - Schaltungsanordnung zur ueberpruefung des elektroden-uebergangswiderstandes waehrend der registrierung von mittels differenzverstaerkern verstaerkten bioelektrischen signalen

Info

Publication number: DE2104850B2
Application number: DE19712104850
Authority: DE
Inventors: Keiji Tokio Tateno
Original assignee: Nihon Kohden Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Kohden Kogyo Co Ltd
Priority date: 1970-02-02
Filing date: 1971-02-02
Publication date: 1977-11-03
Also published as: US3732859A; GB1330552A; JPS498557B1; DE2104850A1; DE2104850C3

Description

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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-

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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 e_s 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 ■ e_s

Hierin ist A der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 3.

Der Verstärkungsgrad JEi_n der in Phase befindlichen Signale ist:

Eon \ ι

(R₁ + R₉) (R₂ + R₉) [

^^■\A-e„.

Wenn

dann ist

R₉

Eon = Ae_n. (2)

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Da die Gleichtaktunterdrückung im allgemeinen durch den Quotienten Eo_nZEa₅ angegeben wird, ergibt sich:

-On

(3)

R_n

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

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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 R_g 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 e_s 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 R_g 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 R_cg 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.

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Claims

Patentansprüche:

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-