DE2236002A1

DE2236002A1 - Elektromedizinische einrichtung

Info

Publication number: DE2236002A1
Application number: DE2236002A
Authority: DE
Inventors: James Francis Hashem
Original assignee: American Optical Corp
Current assignee: Warner Lambert Co LLC
Priority date: 1971-08-26
Filing date: 1972-07-21
Publication date: 1973-03-01
Also published as: US3742947A; GB1363196A; JPS4832390A; CA995761A

Description

Patentanwalt München 22, Herrnstf. 15, Tel. 292555

Postanschrift München 26, Postfach 4

München, den 21. Juli 1972

Mein Zeichen: P 145 2

Anmelder: American Optical Corporation 14 Mechanic Street . Southbridge, Massachusetts USA

Elektromedizinische Einrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromedizinische Einrichtung und insbesondere auf eine Überwachungseinrichtung, die elektrisch leitend mit einem Patienten verbunden ist, bei der jedoch eine elektrische Isolierung besteht

1. Von anderen Schaltkreisteilen, die erforderlich sind, um ein brauchbares Ausgangssignal zu erhalten und

2. von anderen gleichzeitig angeschlossenen elektromedizinischen Einrichtungen.

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Zu bekannten elektromedizinischen Einrichtungen, die in dieser Weise elektrisch isoliert sind, gehören batteriebetriebene Herzschrittmacher. Diese Schrittmacher sind von anderen Schaltkreisen, die mit dem Patienten verbunden sind und von Netzspannungen durch ihre Batterien elektrisch getrennt. Ein Beispiel einer derartigen Anordnung, die eine Batterie verwendet, ist in dem US-Patent 3 554 198 beschrieben.

In diesem Patent ist ausserdem ein Schnellschaltrelais offenbart, das aufgrund eines von aussen kommenden elektrischen Steuersignals anzieht und einen Strompfad herstellt. Gewöhnlich bleibt dieser Relaisschalter geöffnet um die elektrische Trennung zu bewirken. Dieser Vorschlag zur Herstellung einer elektrischen Trennung mit Hilfe eines Relaisschalters ermöglicht es nicht, eine lineare Kopplung zwischen dem getrennten Steuersignal und den Schaltkreisen des Herzschrittmachers herzustellen. In einem Herzschrittmacher ist eine derartige lineare Kopplung aber auch nicht erforderlich (die Form der Herzschrittmacherimpulse ist völlig unkritisch). Im Gegensatz hierzu braucht man eine im wesentlichenlineare Kopplung bei der Überwachung von Patienten; die vorliegende Erfindung gibt die Möglichkeit zu einer derartigen Kopplung.

Schwierigkeiten können dann auftreten, wenn ein Patient in einem Krankenbett zu überwachen ist und wenn dieser Patient mit mehreren voneinander unabhängigen Teilen elektronischer Geräte elektrisch verbunden ist. Zum Beispiel können ein Gerät zur überwachung der Herztätigkeit und ein Gerät zur Überwachung der Atmungstätigkeit gleichzeitig mit einem Patienten verbunden sein, wobei beide Geräte mit Netzspannung betrieben werden. Wenn das Gerät nicht ordnungsgemäß geerdet ist, kann sich der Patient in einer Erdschleife befinden. Dies könnte eine gefährliche Situation ergeben, in der der Patient einen elektrischen Schlag durch den Stromfluß von einem Teil der Einrichtung zu einem anderen Teil derselben durch ihn hindurch

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erhalten kann. Insbesondere im Falle der Überwachung der Herztätigkeit mittels einpflanzbarer Elektronen, die in das Herz selbst eingepflanzt werden, können Erdstreuströme durch das Herz fließen und für den Patienten tödlich sein.

Wenn jedes Teil der elektronischen Einrichtung durch eine individuelle Batterie betrieben wird können solche Erdschleifen vermieden werden. Eine derartige Lösung ist jedoch nicht ausführbar. Überwachungseinrichtungen erfordern zuviel Strom und die Batterien wären zu sperrig. In Krankenhäusern werden gewöhnlich 60 Hz-Netzspannungen verwendet und Überwachungseinrichtungen werden dementsprechend hierdurch versorgt. Auf diese Weise ergibt sich die Möglichkeit des Entstehens von gefährlichen Erdschleifen durch den Patienten hindurch.

Die vorliegende Erfindung löst das Problem der Isolierung von elektromedizinischen Überwachungseinrichtungen. Sie umfaßt die optische Kopplung, um eine derartige elektrische Isolierung zu erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher eine elektromedizinische Überwachungseinrichtung anzugeben, die beispielsweise ein EKG-Ausgangssignal liefert, das von den mit dem Patienten verbundenen Schaltkreisen elektrisch getrennt ist. Es soll ausserdem eine Einrichtung angegeben werden, die die mit dem Patienten verbundenen Schaltkreise gegen Leckströme isoliert, die durch andere mit dem Patienten verbundene Einrichtungen erzeugt werden.

Die Erfindung betrifft also eine elektromedizinische, zur Überwachung physiologischer Funktionen eines Patienten dienende Einrichtung, die mit anderen elektrischen Geräten zusammenarbeiten kann und die einen elektronischen Verstärker und Anschlüsse zur Herstellung einer leitenden Verbindung des Körpers des Patienten mit diesem Verstärker enthält.

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Diese Einrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dai3 sie Koppelelemente aufweist, durch die das Ausgangssignal des Verstärkers einerseits von den übrigen Geräten elektrisch getrennt und andererseits an diese Geräte linear angekoppelt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist so ausgestaltet, daß es das EKG-Signal des Herzens eines Patienten überwacht. Ein Vorverstärker empfängt und verstärkt das EKG-Signal vom Herzen des Patienten. Das Ausgangssignal des Verstärkers wird dazu verwendet einen Strom zu modulieren, der durch eine Lichtemissionsdiode fließt. Alle Schaltkreise, die mit dem Patienten verbunden sind, werden von einer isolierten Stromversorgungsquelle, wie z.B. von einer Batterie oder von dem Ausgang eines Gleichspannungswandlers, mit Strom versorgt.

Die durch Modulation beeinflußte Lichtemissionsdiode erzeugt eine Lichtstrahlung, die sich linear mit der Stärke des modulierenden Signals ändert. Der restliche Teil des der Überwachung dienenden Schaltkreises ist von dem mit dem Patienten verbundenen Schaltkreis elektrisch isoliert. Er wird von einer zweiten Batterie oder von einem üblichen geregelten Versorgungsgerät mit Strom versorgt. Dieser Teil des Schaltkreises weist eine fotogekoppelte Einrichtung, beispielsweise einen Fototransistor auf. Der Fototransistor empfängt als Eingangssignal das von der Lichtemissionsdiode ausgesendete Licht und erzeugt ein elektrisches Eingangssignal für den restlichen Teil der Schaltungsanordnung. Auf diese Weise ist eine elektrische Isolation des Signalweges mit Hilfe einer optischen Kopplung und eine elektrische Isolation der otromversorgungsquellen durch Verwendung eines Gleichspannungswandlers erreicht.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß durch sie ein einfache?!· und wirksamer Weg gefunden ist, elektrische

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Signale, die von physiologischen Funktionen des menschlichen Körpers abhängen, erhalten werden können, ohne daß die Gefahr eines elektrischen Schlages besteht. Ein weiterer Vorteil liegt in der Erhöhung der Betriebssicherheit gegenüber anderen Isolationsverfahren, da nur wenige Bestandteile benötigt werden.

Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch die nachfolgende Beschreibung kenntlich gemacht, bei der auf Figuren Bezug genommen ist.

Die Fig. 1 zeigt das schematische Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild der Stromversorgung, wie sie im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Der in Fig. 1 links von der Bezugslinie 40 dargestellte Schaltkreis wird nachstehend als "mit dem Patienten verbundener Schaltkreis" bezeichnet. Der Schaltkreis rechts von der Bezugslinie 4Q wird nachstehend als "optisch gekoppelter Schaltkreis" bezeichnet. Der mit dem Patienten verbundene Schaltkreis ist elektrisch von dem optisch gekoppelten Schaltkreis isoliert, was nachstehend beschrieben werden wird.

Zunächst wird auf den mit dem Patienten verbundenen Schaltkreis eingegangen. Elektroden 10 und 11 sind zwischen dem zu überwachenden Patienten (nicht dargestellt) und dem Eingang des Verstärkers A1 angebracht. Die Elektrode 12 liegt zwischen dem Patienten und einem isolierten Masseanschluß 13, der in nachfolgenden Abschnitten näher beschrieben werden wird. Der Ausgang des Verstärkers A1 ist über einen Leiter 14 mit dem Basisanschluß des Transistors 15 verbunden. Der Emitter des Transistors 15 ist mit dem einen Anschluß des Widerstandes 16 verbunden, dessen anderer Anschluß an einem eine

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negative Spannung von 15 Volt liegenden Ausgang (-15 V₁) liegt. Der Kollektor des Transistors 15 ist mit der Kathodenseite einer Lichtemissionsdiode (LED) 17 verbunden, deren Anode an einer isolierten Ausgangsklemme liegt, die eine positive Spannung von 15 Volt (+15 V₁) führt. Erläuterungen bezüglich der positiven und negativen isoliert geführten Spannungen werden in nachfolgenden Abschnitten gegeben. Der Verstärker A1 wird von ^15 V-j- betrieben.

Die optische Kopplung des mit dem Patienten verbundenen Schaltkreises zu dem optisch gekoppelten Schaltkreis wird durch ein Lichtenergiesymbol 18 dargestellt. Ein Fototransistor 19 wird durch einfallende Lichtenergie 18 beeinflußt. Die Lichtemissionsdiode 17 und der Fototransistor 19 können beide zusammen verkapselt sein, was durch den Block 28 angedeutet ist, der eine fotogekoppelte Einrichtung darstellen soll.

Der Kollektor des Fototransistors 19 ist mit dem die positive Spannung von 15 Volt (+15 V) führenden Ausgang verbunden. Der Emitter des Transistors 19 ist an den Kondensator 21 und an den einen Anschluß des Widerstandes 22 angeschlossen. Der andere Anschluß des Widerstandes 22 liegt an dem Mittelleitermasseanschluß 23. Das Ausgangssignal des Verstärkers A2 wird an dem Anschluß 27 abgegeben. Die Widerstände 24 und 26 und das Potentiometer 25 sind in Reihe geschaltet und liegen zwischen dem Ausgang des Verstärkers A2 und dem Mittelleitermasseanschluß 23. Der Schleifer des Potentiometers 25 ist mit einem anderen Eingang des Verstärkers A2 verbunden und liegt in einem RUckkopplungskreis. Der Verstärker A2 wird durch Ϊ15 V betrieben.

In Fig. 2 sind ein Gleichspannungswandler 30 und eine geregelte Versorgungsquelle 31 dargestellt, die verschiedene Gleichspannungsausgänge und Masseanschlüsse aufweisen. Die

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gezeigten Spannungen und Masseanschlüssen entsprechen den in Fig. 1 gezeigten. Der Gleichspannungswandler 30 ist die Energiequelle für den mit dem Patienten verbundenen Schaltkreis gemäß Fig. 1, im Handel erhältlich und von üblicher Bauart. Er wird von einer üblichen geregelten Energieversorgungsquelle 31 betrieben, die Eingangsspannungen von +15 V und -15 V an den Gleichspannungswandler 30 liefert. Die Versorgungsquelle 31 selbst wird von 115 "V eff betrieben. Die Versorgungsquelle 31 ist die für den optisch gekoppelten Schaltkreis maßgebliche.

Der Schaltkreis innerhalb des Gleichspannungswandlers weist einen Transformator auf, bei dem die einzelnen Eingänge und Ausgänge gegeneinander isoliert sind. Die die Spannungen +15 Vj, -15 Vj liefernden Ausgänge und der Masseanschluß sind von den die Spannungen +15 V, -15 V liefernden Ausgänge und dem Mittelleitermasseanschluß 23 isoliert. So ist beispielsweise in dem Gleichspannungswandler, der in einem entsprechend den Lehren der Erfindung aufgebauten Modell verwendet wurde, der Stromfluß kleiner als ein ^lA wenn 115.V eff zwischen dem 15 Volt-Anschluß (entweder + oder -) und einem der 15 Vj Anschlüsse (wieder entweder + oder -), oder zwischen dem isolierten Masseanschluß 13 und dem Mittelleitermasseanschluß 23 angelegt werden.

Auf diese V/eise gibt es, wenn der Wandler 30 und die Versorgungsquelle 31 mit dem Schaltkreis gemäß Fig. 1 in der dargestellten V/eise verbunden werden, leine elektrischen Verbindungswege (zwischen dem mit dem Patienten verbundenen Schaltkreis txnd dem optisch gekoppelten Schaltkreis) durch den Wandler hindurch. Der Mittelleitererdanschluß 23 ist derjenige, aui den die anderen (nicht dargestellten) Teile des Gerätes bezogen sind.

Es wird nun die Funktionsweise des Schaltkreises gemäß Fig. näher betrachtet. Das Überwachungssignal (in diesem Fall ein EKG-Üignol, e.s können jedoch auch andere Signale r.cin) wird

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dem Eingang des Verstärkers A1 über die Anschlüsse 10, 11 und 12 zugeführt. Das Signal wird in diesem Verstärker A1 verstärkt, das Ausgangssignal desselben wird der Basis des Transistors 15 zugeführt. Durch diesen Transistor ist ein Stromfluß in Abhängigkeit von dem elektrischen Signal an seiner Basis möglich. Der Strom fließt von dem Ausgang +15 Vj über die Reihenschaltung aus der LED 17, dem Transistor 15 und dem Widerstand 16 zu dem Anschluß -15 Vj. Der Stromfluß durch die LED 17 verursacht eine Lichtemission 18, die das optische oder Lichteingangssignal für den Fototransistor 19 bildet. Änderungen des Stroms oder der Spannung, die an der Basis des Transistors 15 auftreten, stehen in einem linearen Verhältnis zum Stromfluß durch die LED 17. Der Stromfluß durch diese Diode 17 steht zu der Intensität der ausgesandten Lichtstrahlung 18 ebenfalls in einem linearen Verhältnis. Darüberhinaus ist das Verhältnis der Intensität der Lichtstrahlung 18 und des Stromflusses durch den Fototransistor 19 ebenfalls linear. Auf diese Weise besteht zwischen einem elektrischen Signal in dem Schaltkreis auf der rechten Seite der Linie 40 und einem elektrischen Signal in dem Schaltkreis auf der linken Seite dieser Linie ein lineares Verhältnis. Die Signale sind durch Änderungen der Lichtintensität miteinander verkoppelt. Es wird eine derartige elektrische Isolation erzielt, daß bei einer gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebauten Einrichtung normalerweise weniger als 5 /uA Strom fließen wenn 115 V eff an eine beliebige Kombination von Eingangselektrodenanschlüssen, 10, 11, 12 mit dem Mittelleitermasseanschluß 23 gelegt werden.

Änderungen des Stromflusses durch den Fototransistor 19 verursachen Spannungsänderungen über dem Widerstand 20. Diese Spannungsänderungen bzw. dieses Signal ist ein Wechselspannung^ signal, das mittels des Kondensators 21, der jegliche Gleichstromkomponenten fernhält, weitergegeben wird. Das resultierende Wechselstromsignal ist dem an den Anschlüssen

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10, 11 und 12 auftretenden Signal gleichwertig und wird, dem Verstärker A2 zugeführt. Die Amplitude des Signals wird durch Einstellen des Rückkopplungspotentiometers 25 in gewünschter Weise eingestellt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Veräbärker A1 und A2 Jeweils ganze Schaltkreise umfassen können und nicht notwendiger Weise nur aus einem Transistor oder einem Verstärkereiement zu bestehen brauchen.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß der Verstärker A1 ein Vorverstärker ist, der das vom Patienten kommende EKG-Signal verstärkt. Das Ausgangssignal des Verstärkers A1 wird der Basis des Transistors 15 zugeführt, seine Amplitude moduliert den durch die Lichtemissionsdiode 17 fliessenden Strom. Aufgrund der Eigenschaften von Lichtemissionsdioden bewirkt eine Modulierung dieses Stromes eine Modulierung des von dieser Diode 17 ausgesandten Lichtstroms. Dieser modulierte Lichtstrom 18 wird von einem Fototransistor 19 innerhalb einer fotogekoppelten Einrichtung ZQ aufgenommen. Der Fototransistor 19 wandelt den modulierten Lichtstrom 18 in einen modulierten elektrischen Strom um. Der modulierte elektrische Strom verursacht eine Signalspannung über dem Widerstand 20, die ein zurückgewandeltes EKG-Signal darstellt. Diese Spannung wird über den Kondensator 21, der jegliche Gleichstromkomponente unterdrückt weitergegeben und durch den Verstärker A2 verstärkt, durch den jegliche Abschwächuhg der Signalamplitude ausgeglichen wird. Der Verstärker A2 wirkt als Pufferverstärker, der die Ausgangsbelastbarkeit erhöht.

Die Erfindung kann auch in anderen Ausführungsformen verwirklicht werden, ohne daß der durch sie gesteckte Rahmen verlassen zu werden braucht. So kann z.B. eine Ultraschallkopplung anstelle der optischen Kopplung verwendet werden, wozu entsprechende Änderungen der Schaltkreise vorzunehmen sind. Es könnte ein einziger piezoelektrischer Kristall verwendet werden, der zwei Paare elektrischer Verbindungen

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aufweist, von denen ein Paar an den Patienten angeschlossen und von dem anderen Paar, das an den übrigen Teil der Vorrichtung angeschlossen ist, elektrisch isoliert ist.

Die beschriebenen Anordnungen sind daher in jeder Beziehung als Ausführungsbeispiele zu betrachten und stellen keine Beschränkung dar. Der durch die vorstehende Beschreibung und die nachfolgenden Patentansprüche gesteckte Rahmen der Erfindung umfaßt alle Änderungen, die für den Fachmann den Charakter von Äquivalenten haben.

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Claims

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Patentansprüche

Elektromedizinische, zur Überwachung physiologischer Funktionen eines Patienten dienende Einrichtung, die mit anderen elektrischen Geräten zusammenarbeiten kann und die einen elektronischen Verstärker und Anschlüsse zur Herstellung einer leitenden Verbindung des Körpers des Patienten mit diesem Verstärker enthält, dadurch gekennzeichnet, daß sie Koppelelemente (28) aufweist, durch die das Ausgangssignal des Verstärkers einerseits von den übrigen elektrischen Geräten elektrisch getrennt und andererseits an diese Geräte linear angekoppelt wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelelemente (28) optische Koppelelemente sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelelemente eine Lichtemissionsdiode (17) umfassen, die mit einem Fototransistor (19) in Wirkverbindung steht.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine erste Stromversorgungsquelle (+15 Vj, -15 Vj) zur Versorgung der mit dem Patienten verbundenen Einrichtungsteile und eine zweite Stromversorgungsquelle zur Versorgung der übrigen Geräte aufweist, die voneinander isoliert sind.
5. Einrichtung nach einem der vorbeigehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelemente (28) Ultraschallkoppolelemente sind.

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