DE2303225A1 - Biomedizinische elektrode - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

D.PL.-PHYS. DR. J. FRICKE

DR.-ING. R.

BRAUNSCHWEIG MÜNCHEN

BME Corporation,

3116 North River Road, River Groye,

Illinois 60171 - USA

Biomedizinisohe Elektrode

Die Erfindung betrifft eine biomedizinische Elektrode, bestehend aus einer Halbzelle, mit einer mit einem Elektrolyten in Verbindung stehenden Fläche,und einem Anschluß für eine Verbindungsleitung eines die Elektrodensignale empfangenden Gerätes oder Instrumentes.

Elektrische Messungen werden verwendet zur Überwachung im weiten Bereich verschiedener Funktionen. Das Überwachen physiologischer Funktionen, insbesondere solcher von Säugetieren, ist weithin im biomedizinischen Bereich akzeptiert worden. Um eine kontinuierliche Aufzeichnung für bestimmte Testuntersuchungen zu erhalten, ist es notwendig, die Elektrode an dem Subjekt längere Zeit zu befestigen. Typische Situationen, in denen eine kontinuierliche Überwachung erfolgt, sind beispielsweise herzkranke Patienten in einer Intensivstation eines Krankenhauses, Astronauten während des Fluges, und während des Trainings vor einem Flug, sowie Säugetiere, welche in genau zu überwachenden, wissen-

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schaftlichen Untersuchungen verwendet werden. Diese Messungen werden oft für Elktrokardiogramme, Elektromyogramme und Elektroencephalogramme und für andere Messungen benötigt.

Es ist bekannt, daß eine gute Elektrode bestimmten wichtigen Anforderungen genügen muß, z.B. eine niedrige Impedanz und eine ausreichende elektrische Stabilität besitzen muß. Soweit die Elektrode als Halbzelle wirksam ist, muß auch das Halbzellenpotential stabil sein. Weiterhin dient die Elektrode hauptsächlich der getreuen Übertragung von Signalen von einem Subjekt zu : einem Aufzeiohnungs- und/oder Beobachungsgerät.

Wenn bisher bekannte Elektroden bei Säugetieren verwendet wurden, war es notwendig, den Bereich der Haut, auf dem die Elektrode aufgesetzt werden sollte, vorzubereiten. Zu diesem Zweck wurde die Haut zunächst gereinigt. Danach wurde die Haut abrasiert, um jegliche tote Hautteilchen zu entfernen, welche die genaue Übertragung der elektrischen Signale zur Elektrode behindern könnten. Danach wurde ein entsprechender Elektrolyt im allgemeinen in Form eines G-els auf die Haut des Subjekts aufgetragen. Auf dieses Gel wurde dann die Elektrode aufgesetzt, welche eine Halbzelle bildete, so daß die elektrischen Signale mit Hilfe eines allgemein bekannten elektrischen Kreises zu entsprechenden Aufzeichnungs- und/oder Beobachtungsgeräten Übertragen wurden.

Eine allgemeine Elektrodenkonstruktion ist eine solche, bei der

eine Silber-Silber/chlorid-ohlorid-Ionenhalbzelle verwendet wird. Diese Zelle wird im allgemeinen entweder durch Zusammenpressung

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einer Mischung aus Silber und Silberchloridpulver und durch in-Berührung-bringen dieser zusammengepreßten Mischung mit einem entsprechenden Elektrolyten oder dadurch hergestellt, daß zu- !

nächst eine elektrische Halbzelle durch elektrochemische Um- j

Wandlung der Oberfläche eines Silberelementes in eine Silber- j chloridschicht hergestellt wird, worauf man die Silberchlorid- !

schicht in Berührung mit einem Elektrolyten bringt. j

Diese bekannten Elektroden haben in vielen Anwendungsfällen | allgemein zufriedenstellend gearbeitet. Jedoch haben diese be- ! kannten Elektroden bestimmte unerwünschte Eigenschaften. Der t Elektrolyt, der in Berührung mit der Haut des Patienten ge- :

bracht wird, ist normalerweise in Form eines Gels oder einer j

Paste geschehen. Eine solche Paste läßt sich sowohl für die be-: handelnde Person wie auch für den Patienten nur schlecht verar-j beiten. Die Vorbereitungstechnik verursacht eine Verunsiche- ' rung des Patienten, insbesondere dann, wenn die Haut zur Her- ■ stellung eines guten elektrischen Kontaktes abrasiert wird.

Wenn fortgesetzte Ablesungen gewonnen werden sollen, neigt die I

Paste dazu, auszutrocknen, so daß die Impedanz an der über- ■ gangsfläche zwischen Elektrode und Haut ansteigt und das beobachtete Signal abnimmt. Hieraus können Fehlanzeigen, bzw. -

j eine Beeinträchtigung einer genauen Übertragung der physiolo- ;

gisch erzeugten Signale eintreten. Weiterhin variieren die ", elektrischen Charakteristiken dieser Elektroden von Elektrode zu Elektrode und außerdem sind die Messungen beschränkt auf die Verwendung eines Wechselstromverstärkers. Es wurde weiterhin beobachtet, daß bei bestimmten, allgemein bekannten Elektroden ; das Potential sich verändert oder wechselt, und zwar in unre-

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gelmäßiger Weise in bezug auf die Zeit. Diese Schwankungen verursachen Fehler in der Messung der Signale und geben damit eine verzerrte Darstellung von dem Organ oder dem Körperabschnitt, : der auf physiologische Weise das Signal erzeugt hat. Ein weite- ; res Problem, das bestimmte Elektroden begleitet, liegt darin,
daß das Silberchlorid nicht längere Zeit in Berührung mit der j Haut des Patienten gehalten werden kann, ohne daß Störungen
aufgrund einer Silberdurchdringung auftreten könnten. Wenn die
bekannten Elektroden bei einem gegebenen Patienten längere Zeit ; angewendet werden, müssen sie daher häufig mehrere Male pro Tag ' neu angesetzt werden, was für den Patienten unbequem ist und ! die beobachteten Signale beeinträchtigt. [

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine biomedizinische Elektrode ;. der eingangs näher bezeichneten Art so weiterzubilden, daß die- , ! se Schwierigkeiten vermieden werden und einen pasten- oder gel- _; förmigen Elektrolyten nicht benötigt, die leicht anzuwenden und , ohne große Vorbereitungsarbeiten anzubringen ist und die eine , zuverlässige und über lange Zeit genaue Anzeige der Signale gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Körper aus Vollmetall und ein poröses Phasentrennelement verwendet werden, welches einerseits den Elektrolyten in Berührung mit dem Metallkörper hält und andererseits in direkter Berührung mit der zu untersuchenden Oberfläche gebracht werden kann.

Die Elektrode naoh der Erfindung benötigt keinen pasten- oder

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i gelförmigen Elektrolyten zwischen der zu untersuchenden Oberflä-.

! ehe und der Elektrode. Vielmehr steht mit der zu untersuchenden Oberfläche nur das Phasentrennelement mit seiner einen Seite in

ί Berührung, während seine andere Seite in Berührung mit dem Elektrolyten steht, so daß ein stabiles Halbzellenpotential zwischen

i dem Metall und dem Elektrolyten erzeugt wird, der eine ionische j

; Lösung ist. Der Vollmetallkörper kann dabei einen Behälter für

den Elektrolyten bilden. Dabei wird der Vollbehälter durch die !

i !

■I durchlässige Membran auf wenigstens einer Seite abgeschlossen. !

Das Vollmetalljbefindet sich dabei in elektro-chemischem Gleich- |

j gewichtszustand mit dem Elektrolyten. Das Vollmetall ist dabei ; j mit einem elektrischen Leiter verbunden, der als Verbindung mit j ( einem Apparat zur Beobachtung und/oder Aufzeichnung des Signals ■ dient, das an der Oberfläche des Subjektes festgestellt wird.

ί ί ί

j Das elektrische Halbzellenpotential der Elektrode wird bestimmt

I durch eine Metall-Metall/lonenzwischenflache innerhalb der Elek- ; trode. Es ist von großer Bedeutung, festzustellen, daß die elek-I trische Halbzelle vollständig abgedichtet ist mit Ausnahme der ;

ι ;

für die Ionen durchlässigen Membran, welche ansonsten den Elektrolyten abschließt und isoliert. Auf die Halbzelle wird keinerlei Einfluß durch eine Bewegung der Elektrode oder durch äußere Chemikalien ausgeübt. Das Potential der Halbzelle wird durch die Wahl des Vollmetalls und der ionischen Lösung bestimmt, die als Elektrolyt gewähtlwird. Dabei erhält man ein konstantes elektrisches Potential. Da der Elektrolyt sich in seiner Konzentration nicht verändert und das Vollmetall konstant bleibt, haben selbst heftige Bewegungen des Subjektes keinen bemerkenswerten Einfluß

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auf die Ablesung des Beobachtungs- und/oder Aufzeichnungsgerä-

tea. Die durchlässige Membran steht in elektrischem Kontakt mit j der Oberfläche des Subjektes_r so daß keine Paste und auch kein j Gel. erforderlich sind, um einen guten Kontakt zu erzeugen. Die durchlässige Membran erzeugt auch keine Störungen oder Sekunda- \ re Effekte auf der Oberfläche des Subjektes. Dies alles sind ;

Voraussetzungen dafür, daß die Elektrode nach der Erfindung auf: der Oberfläche eines Subjektes auch für längere Perioden fest i

montiert werden kann. j

Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen;

an einem Aus£ührungsbeispiel näher erläutert. ·

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt von einer Elektrode gemäß der Erfin- '.

Fig. 2 einen Schnitt durch die Elektrode nach Pig. 1 entlang der Schnittlinie 2-2;

Fig. 3 die Wiedergabe einer graphischen Darstellung, welche eine repräsentative Ablesung mit der Elektrode nach der Erfindung wiedergibt und _;

Fig. 4 eine ähnliche Darstellung mit einer Elektrode nach dem ; Stand der Technik.

Gemäß Fig. 1 ist eine Elektrode nach der Erfindung dargestellt

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ι und mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die Elektrode umfaßt

j einen Behälter 12, eine Membran 14, welche auf einer Seite des ■ "

Behälters abdichtend montiert ist und einen Elektrolyten 16, der in dem Behälter 12 durch die Membran 14 gehalten wird.

Das Gehäuse 12 umfaßt eine zylindrische Seitenwand 18, die beispielsweise aus einem Acrylharz hergestellt ist. Die Seitenwand besitzt eine Füllöffnung 20 mit einem Stöpsel 22 zur Abdichtung dieser öffnung. - - ·

Das Gehäuse umfaßt weiterhin eine Oberseite oder Deckel 24, die eine Grundplatte 26 umfaßt, die im gezeigten Beispiel aus Kupfer hergestellt ist. Die Grundplatte ist einstückig mit einer Anschlußzunge 28 ausgebildet, welche ein bequemes Mittel zur ! elektrischen Verbindung der Grundplatte 26 mit einem Gerät j dient. Die innere Oberfläche der Grundplatte 26 ist im gezeigten Beispiel überzogen mit einer Zinnoberfläche 30. Es ist wichtig, festzustellen, daß die Zinnoberfläche 30 eine kontinuierlir ehe Fläche ohne Porösität ist. !

j Die Membran 14 ist durchlässig und dient als ein poröses Pha- '

ι sentrennelement für die Elektrode 10. Im dargestellten Beispiel

j besteht die Membran aus einem Zellophanmaterial. Die Kanten oder

die Bänder der Membran sind abdichtend an der Seitenwand 18 be-j

! festigt. I

!

!

j Der Elektrolyt 16 kann im gezeigten Beispiel eine physiologi- j.

ι ■ !

. sehe Salzlösung von 9 Gramm Natriumchlorid pro Liter Wasser j

* ι

sein. Die Salzlösung weist freie Chloridionen zur Bestimmung '

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der Halbzellenreaktion mit dem Zinn der Zinnoberflache 30. In dem speziellen Ausführungsbeispiel der Elektrode bildet das

j Zinn eine Vollmetall-Ionenquelle. Die Natrium-Chlorid-Lösung ist eine ionische Lösung, die mit dem Zinn reagiert, um eine Oxyda- , tionsrReduktionsreaktion in Gang zu setzen, in der ein relativ '· konstantes elektrisches Potential entwickelt wird, so daß man :

! mit der Anordnung eine stabile.Elektrode erhält. Bei Berührung des Elektrolyten mit dem Zinn erreicht die Elektrode rasch ein ■ stabiles Potential. ;

Es kann leicht eingesehen werden, daß die Elektrode 10 billig ist und leicht und schnell zusammengebaut werden kann. Das Acrylharz läßt sich einfach in die gewünschte Größe mit der öffnung 20 ausformen. Die Kupferbasis 26 wird durch Formen hergestellt, wobei die Zinnoberfläche 30 vorher auf dem Kupfer erzeugt ist. Der Deckel 24 wird mit der Seitenwand 18 z.B. durch

[ Kleben fest verbunden. Die Zellophanmembran wird ebenfalls, und

i
zwar am anderen Ende der Seitenwand 18, mit dieser durch Kleben verbunden. Der Elektrolyt 16 läßt sich in das Innere des Behälters durch die öffnung 20 einfüllen. Nachdem der Behälter im we-

]

sentlichen gefüllt ist, wird die öffnung 20 verschlossen.

j Als ein spezifisches Beispiel einer vorgegebenen Anwendung der ;

j Elektrode wird darauf hingewiesen, daß diese mit einem entspre-

chenden Verstärker und einem Aufzeichnungsinstrument in allgemein bekannter Weise mit Hilfe einer üblichen Verdrahtung ver- :

j bunden wird, welche an der Anschlußfahne 28 angeschlossen wird.

; Die Anschlußfahne 28 dient als elektrisches Verbindungselement

^; zum Verbinden des Zinn mit einem Instrument. Das elektrische Ge-

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! rät ist nicht gezeigt, da es allgemein bekannt ist. Es kann ί sich beispielsweise um einen Kardiografen, z.B. von der Firma ! Hewlett-Packarg 1511A handeln. Die Elektrode wird auf die Haut

ί - I

; des Patienten aufgesetzt, wobei die Membran in Berührung mit ! der Haut steht. Die Elektrode wird an Ort und Stelle durch ent- ' . sprechende Mittel, z.B. ärztliches Klebband, gehalten. '

! Eine zweite und eine dritte Elektrode, welche in der gleichen · ! Weise wie die Elektrode 10 ausgebildet sein können, werden auf [

i " I

! dem Patienten in entsprechenden Stellungen angebracht, wie dies

; allgemein bekannt ist und in der genannten Weise durch Klebband i gehalten. Die zweite und die dritte Elektrode werden ebenfalls · ! mit dem Elektrokardiografen verbunden. Zusätzliche Elektroden \ können auf dem Patienten angebracht und in entsprechender Weise mit dem Gerät verbunden werden, und zwar je nach dem besonderen!

; Anwendungsfall. Das physiologische elektrische Potential zwischen zwei Bereichen des Körpers wird mit Hilfe der Elektroden I festgestellt und dem Elektrokardiografen als Signal zugeleitet. · ' Es ist wichtig, festzustellen, daß trotz der Tatsaohe, daß die ' ! Elektroden an dem Patienten befestigt und einer Bewegung unter-j worfen sind, diese Bewegung keinerlei Wirkung auf die Elektrode in bezug auf die !Datsache zeigt, daß das Halbzellenpotential durch die Chlorid-Ionen-Konzentration in dem Elektrolyten be- <

stimmt wird. Da zwischen Elektrodenpaaren keine nennenswerte !

Gleichstromverschiebung stattfindet und eine große Halbzellen- i

Stabilität vorliegt, können die Elektroden in Verbindung mit j

einem Gleichstromverstärker verwendet werden, falls diea ge- ^! wünscht wird. Es ist weiter zu bemerken, daß keinerlei Aua-

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trocknungsprobleme auftreten, welche zu Impedanzänderungen und damit zu einer Störung der Signalqualität führen könnten, und zwar aufgrund der Tatsache, daß eine Paste oder ein Gel in Verbindung mit der Elektrode nach der Erfindung nicht benötigt werden. Die Elektrode kann auf dem Patienten aufgebracht und intermittierend mit einem Elektrokardiografen verbunden werden. ,

Die Elektrode 10, die in einer sonst üblichen Anordnung ohne

Paste oder Gel zwischen Elektrode und Patientenhaut.verwendet wurde, gibt die gleichen Ergebnisse über eine kurze Zeitperiode wie eine übliche Elektrode mit Paste oder Gel, was deutlich demonstriert, daß die Elektrode 10 all die Probleme eliminiert, ; die mit den Pasten od.dgl. verbunden sind, wobei die neue Elektrode die oben erwähnten Vorteile darbietet. Die Elektrode 10 und zwei andere identische Elektroden wurden an einem Patienten mit Klebband an den üblichen Stellen angebracht. Danach wurden die Elektroden mit dem oben näher bezeichneten speziellen Elektrokardiograf en verbunden, und zwar in einer Schaltung, wie sie als "Lead II" bekannt ist. Die Ergebnisse wurden aufgezeichnet. Eine Kopie der Ergebnisse zeigt Fig. 3. Drei übliche Elektroden, die als Hewlett-Packarg-Elektroden bekannt sind, und von der Firma gleichen Hamens hergestellt sind, wurden an dem gleichen Patienten an den gleichen Stellen angebracht, um einen Vergleich der Wirksamkeit der neuen Elektroden zu erhalten. Eine übliche Paste wurde in Verbindung mit den Elektroden nach dem Stand der Technik an dem Patienten angebracht. Die üblichen Elektroden wurden dann in der gleichen Schaltung mit dem Aufzeichnungsgerät verbunden. Eine Kopie des aufgezeichneten Ergebnisses zeigt Fig. 4. Ein Vergleich der beiden Elektrokardiogramme zeigt deut-

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lieh, daß für kurze Ablesungszeiten keinerlei Unterschied zwischen der Verwendung einer üblichen Elektrode mit Paste und der
Elektrode 10 ohne Paste auftritt. Die Vorteile der Elektrode 10 | treten besonders deutlich bei Beobachtungen auf, die sich über .^ lange Zeiten erstrecken. '

j Während einer lang andauernden Beobachtung, die sich über mehrej re Tage erstreckte, wurde die Elektrode 10 an einer Stelle des j Subjektes aufgebracht und auf dieser Stelle belassen. Die Elek- ; trode 10 wurde nicht von einer Stelle weggenommen und mehrmals
am Tage an neuen Stellen angebracht, wie dies bei den bisher üblichen Elektroden notwendig war. Die Beständigkeit der Lage der
Elektrode 10 erzeugt eine Beständigkeit in den beobachteten oder aufgezeigten Ergebnissen der Ausgangssignale der Elektrode, so i daß jede Veränderung der Ergebnisse zuzuordnen ist Veränderun-i gen in dem Subjekt, das unter Beobachtung steht und nicht zu j

i Veränderungen in der Elektrode oder der lage der Elektrode auf ^:

, dem Subjekt.

Ansprüche

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Claims (6)

Ansprüche · .

1. J Biomedizinische Elektrode, bestehend aus einer Halbzelle ■ mit einer mit einer Ionen-Lösung in Verbindung stehenden Fläche j und einem Anschluß für eine Verbindungsleitung eines die Elek- j trodensignale empfangenden Gerätes oder Instrumentes, gekennzeichnet . durch einen Körper aus Vollmetall j

und einem porösen Phasentrennelement, das einerseits die Ionen- ;

i lösung in Berührung mit dem Metallkörper hält und andererseits \

in direkter Berührung mit der zu untersuchenden Oberfläche ver- :

bringbar ist. i

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η - ; zeichnet , daß als Vollmetall Zinn verwendet ist. j

3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η - j zeichnet , daß als Ionen-Lösung eine physiologische ' Salzlösung verwendet ist. " ■

4. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß als poröses Phasentrennelement
ein Zellophan vorgesehen ist.

5. Elektrode nach Anspruch 1 bis 4, daß das poröse Phasentrennelement einen Abschnitt aufweist, der besonders für den
direkten Kontakt einer Oberfläche des Subjektes geeignet ist
und zur ionischen Leitung zwischen dieser Oberfläche und der
Ionen-Lösung dient.

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6. Elektrode nach Anspruch 1 bis 5, dadurch g e k e η η - ^! zeichnet , daß ein Behälter mit einer offenen Seite ' vorgesehen ist, welche durch das Phasentrennelement abgedich- j

tet ist und daß das Innere des Behälters mit einer Ionenlösung i

i gefüllt ist, die einerseits mit dem Vollmetall und andererseits; mit der Membran in Verbindung steht, wobei an das Vollmetall ^! ein Anschlußstuck für eine elektrische. Leitung angebracht ist. j

^F/S 30984S/0779

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