DE2323201A1

DE2323201A1 - Biomedizinische elektrode

Info

Publication number: DE2323201A1
Application number: DE2323201A
Authority: DE
Inventors: Howard T Francis
Original assignee: BME CORP
Current assignee: BME CORP
Priority date: 1972-09-08
Filing date: 1973-05-08
Publication date: 1974-03-28
Also published as: CA988170A; GB1423009A; US3993048A; JPS4965083A; SE391119B

Description

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DR.-ING. R. DÖRING DIPL.-PHYS. DR. J. FRICKE

BRAUNSCHWEIG MÜNCHEN

BME Corporation
3II6 North River Road, River Grove, Illinois 60 I7I /USA

"Biomedizinische Elektrode"

Die Erfindung betrifft eine biomedizinische Elektrode, bestehend aus einer Halbzelle, die unmittelbar auf die Haut eines Körperteils aufgesetzt werden kann.

Elektrische Messungen sind besonders wichtig geworden bei medizinischen und biomedizinischen Untersuchungen. Sie werden heute herangezogen, um einen weiten Bereich von Punktionen des menschlichen Körpers zu überwachen. Einige dieser Messungen dienen beispielsweise für die Erstellung von Elektrokardiogrammen, Elektroenzephalogrammen und Elektromyogrammen. Um eine elektrische Messung auszuführen, ist es notwendig, einen guten elektrischen Kontakt mit der zu untersuchenden Körperfläche zu erhalten, und zwar über eine Elektrode, die Teil einer Halbzelle ist und mit einer Meßeinrichtung verbunden ist.

Es ist bekannt, daß eine gute Elektrode bestimmte wichtige Eigenschaften aufweisen und Erfordernisse erfüllen muß. So muß eine Elektrode eine niedrige Impedanz und eine hohe Stabilität aufweisen. Da die Elektrode als Halbzelle arbeitet, muß das

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Halbzellenpotential so stabil wie möglich sein, ohne daß ein Einfluß auf die Halbzelle durch Schweißabsonderung oder durch Bewegung des Patienten zu befürchten ist. Der eigentliche Zweck einer solchen Elektrode besteht in einer wahrheitsgemäßen Übertragung der physiologisch erzeugten elektrischen Signale von der Haut des Patienten zu einer Aufzeichnungs- und/oder Beobachtungseinrichtung.

Wenn die bisher bekannte Elektrode auf dem menschlichen Körper verwendet wurde, war es notwendig, den Bereich der Haut vorzubereiten, auf dem die Elektrode aufgesetzt werden sollte. Typischerweise wurde zunächst die Haut gereinigt. Häufig wurde dann die Haut abrasiert, um eine gute elektrische Kontaktfläche herzustellen. Durch das Abrasieren wird tote Haut entfernt, welche ein gutes übertragen eines elektrischen Signals zur Elektrode behindern könnte. Ein geeigneter Elektrolyt, häufig in Form eines Gels, wurde dann auf die Haut des Patienten aufgebracht. Danach wurde die Elektrode auf das Gel aufgesetzt, um eine Halbzelle zu bilden, um auf diese Weise die physiologisch erzeugten elektrischen Signale beobachten zu können. Diese Signale werden einem Verstärker und einer Aufzeichnungs- und/oder Beobachtungseinrichtung zugeführt. Eine sehr häufig verwendete Elektrodenkonstruktion, die allgemein im Gebrauch ist, besteht aus einer Silber/Silberchlorid/ Chlorid-Ionen-Halbzelle. Diese Halbzelle wird im allgemeinen dadurch gebildet, daß man eine Mischung aus Silberpulver und Silberchloridpulver zusammenpreßt und in Berührung mit einem

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geeigneten Elektrolyten bringt. Eine andere Herstellungsform besteht darin, daß man zuerst eine Oberfläche eines Silberkörpers elektrochemisch in eine Silberchloridschicht umwandelt und diese dann in Berührung mit einem Elektrolyten b. -ringt.

Diese bekannten Elektroden haben in zahlreichen Anwendungsfällen durchaus zufriedenstellende Ergebnisse gezeitigt, jedoch weisen diese Elektroden einige unerwünschte Eigenschaften auf. Der Elektrolyt, der in Berührung mit der Haut des Patienten gebracht wird, liegt im allgemeinen in Gelform oder in Pastenform vor. Die Paste ist schwierig zu handhaben, und zwar sowohl für die Bedienungsperson als auch für den Patienten. Außrdem verursachen die Vorbereitungen häufig Verwirrungen oder Spannungen bei dem Patienten, insbesondere wenn die Haut zur Erzeugung eines guten elektrischen Kontaktes abrasiert werden muß. Wenn länger andauernde Ablesungen genommen werden müssen, neigt die Paste dazu auszutrocknen, so daß die Impedanz an der Zwischenfläche zwischen Elektrode und Haut zunimmt. Dadurch verändert sich das beobachtete Signal, da nicht mehr eine genaue Übertragung des ursprünglich physiologisch erzeugten Signales möglich wird. Weiterhin können die elektrischen Eigenschaften dieser Elektroden von Elektrode zu Elektrode variieren, so daß zunächst zusammenpassende Elektroden ausgesucht werden müssen, während die Messungen auch begrenzt sind auf Viechseistromverstärker. Ein Gleichstromverstärker ist jedoch in der Anwendung wünschenswert,

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insbesondere bei bestimmten Messungen,z. B. bei Enzephalogrammen. Die Elektrodenübertragung wandert aus, da das Potential der Halbzelle sich verändert in einer regellosen Abhängigkeit von der Zeit. Dies führt häufig zu Irrtümern in der Messung von Signalen und gibt verfälschte Übersichten über das Organ oder den Körperteil, der physiologisch das Signal erzeugt. Ein weiteres Problem, das bei den bekannten Elektroden auftritt, liegt darin, daß Silberchlorid nicht über längere Zeit ohne Störung in Kontakt mit der Haut des Patienten gehalten werden kann, und zwar aufgrund der Silberwanderung. Das bedeutet, daß langandauernde fortgesetzte Afcfesungen nicht ohne Gewebeschädigung bei Patienten durchgeführt werden können.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine biomedizinische Elektrode der eingangs näher bezeichneten Art so weiterzubilden, daß diese Schwierigkeiten vermieden werden, die Handhabung vereinfacht wird, Störungen oder Beunruhirtgungen beim Patienten weitgehend vermieden werden können und auch über längere Zeit eine genaue Übertragung des physiologisch erzeugten Signals unabhängig von Bewegungen oder von Schweißabsonderungen des Patienten gewährleistet werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit einem an ein elektrisches Meßinstrument angeschlossenen Leiter eine Quecksilber/Kalomel-Mischung verbunden ist und in Kontakt mit einer physiologischen Salzlösung steht, die ihrerseits eine Membran berührt, welche in direkten Kontakt mit einer Oberfläche des Patienten oder dgl. gebracht werden kann, um durch die Membran eine ionische Leitfähigkeit zwischen

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der Oberfläche des Patienten und der physiologischen Salzlösung zu ermöglichen.

Bei der neuen Elektrode wird keine Paste oder kein Gel zwischen der Körperoberfläche und der Elektrode benötigt. Vielmehr handelt es sich um eine isotonische Kalomelelektrode, welche eine Mischung aus Quecksilber und Kalomel in Berührung mit einer isotonischen Salzlösung verwendet. Der Elektrolyt, also die Salzlösung, ist in einem Gehäuse eingeschlossen, welches auf einer Seite eine Cellophanmembran aufweist, welche den Elektrolyten in dem Gehäuse zurückhält. Diese Cellophanmembran kann auf die Oberfläche der Haut eines Patienten aufgesetzt werden, so daß ein Ionenkontakt zwischen der Haut des Patienten und der Elektrode hergestellt wird. Das elektrische Halbzellenpotential der Elektrode wird Gurch die Quecksilber/Merkuro-Ionenreaktion bestimmt. Es ist wichtig darauf hinzuweisen, daß die elektrische Halbzelle vollständig abgedichtet ist mit Ausnahme der Ionenleitfähigkeit durch die Membran, so daß der Elektrolyt isoliert ist und keine Wirkung auf die Halbzelle durch Bewegung oder durch äußere chemische Mittel ausgeübt wird. Das Potential der Halbzelle wird durch die Chloridionen in dem Elektrolyten bestimmt, und zwar aufgrund der Quecksilber/Merkuro-Ionenreaktion. Selbst ein Schütteln der Elektrode verändert nicht die Konzentration. Der Einfluß der Bewegung auf die Elektrode ist gleich Null. Außerdem hat auch eine Bewegung der elektrolytischen Salz1"sung keinerlei Einfluß auf das elektrische Potential. Die Cellophanmembran wird in elektrische Berührung mit der Haut eines Patienten cebraeht,

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sobald die Membran die Haut berührt. Da die Lösung hinter der Membran eine isotonische Salzlösung ist, treten keinerlei Reizungen oder dgl. Störungen der Haut auf. Die Cellophanmembran selbst ist nicht toxisch, stellt daher keinerlei Probleme dar.

Wie schon erwähnt, ist die Membran vorteilhafterweise ein Cellophanblatt.

Weiterhin wurde schon erwähnt, daß es besonders zweckmäßig ist, wenn man die Quecksilber/Kalomel-Mischung und die physiologische Salzlösung in einem Gehäuse einschließt, wobei die Membran über eine Öffnung auf einer Seite des Gehäuses montiert ist, um die physiologische Salzlösung in dem Gehäuse zurückzuhalten.

Es hat sich auch als zweckmäßig erwiesen, wenn man das Gehäuse nicht vollständig mit der Salzlösung füllt, sondern eine Lufttasche in dem Gehäuse aufrechterhält, um die Anpassung der Membran an die Körperoberfläche zu erleichtern.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Es zeigen:

Pig. 1 einen Querschnitt durch die biomedizinische Elektrode gemäß der Erfindung.

Fig. 2 in kleinerem Maßstabe einen Querschnitt durch die

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Elektrode nach Fig. 1 entlang der Schnittlinie 2-2

dieser Figur.
Fig.3 einen horizontalen Schnitt durch die Elektrode nach Fig.l, ebenfalls in kleinerem Maßstabe, wobei der

Schnitt entlang der Ebene 3-3 der Fig.l geführt ist. Fig.4 gibt eine Aufzeichnung wieder, die eine typische Ablesung mit der in Frage stehenden Elektrode zeigt,

während
Fig.5 ebenfalls eineAblesung wiedergibt, jedoch von einer bekannten Elektrode.

Bei dem Ausführungsbeispiel in den Figuren handelt es sieh um eine Queeksilber/Kalomel-Halbzelle, die allgemein mit bezeichnet ist. Die Elektrode 10 weist ein Gehäuse 12, eine Quecksilber/Kalomel-Mischung 14 in dem Gehäuse, eine Membran 16 an dem Gehäuse und einen Elektrolyten 18 auf, der in dem Gehäuse 12 durch die Membran 16 gehalten wird und die Quecksilber/Kalomel-Mischung 14 berührt. Ein aus Platin bestehender Leitungsdraht 20 ist mit der Mischung 14 verbunden.

Das Gehäuse 12 besteht im dargestellten Beispiel aus Lucite und weist eine kreisförmige Oberseite 22 und eine zylindrische Umfangswand 24 auf, die einstückig mit dem Rand der Oberseite 22 ausgebildet ist. Eine Abdichtungsnut 24 ist in der zylindrischen Umfangswand 2'4 nahe dem oberen Ende des Gehäuses vorgesehen. Die zylindrische Wand weist eine mit Gewinde

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versehene Füllöffnung 28 auf einer Seite und eine elektrische Verbindungsöffnung 30 gegenüber der Füllöffnung 28 auf. Ein Schraubstöpsel 31 kann in die Füllöffnung 28 eingeschraubt werden , um diese Öffnung abdichtend zu verschließen.

Ein nichtleitendes Rohr 32 ist in die Öffnung 30 eingesetzt und in dieser befestigt. Das Rohr 32 erstreckt sich radial nach innen von der zylindrischen Wand 24 aus, und zwar zweckmäßigerweise in Fluchtung mit der Füllöffnung 28, so daß das Rohr mit Elektrolyten gefüllt werden kann. Hierzu kann eine Spritze verwendet werden, um das Entstehen von Luftblasen zu vermeiden. Die Quecksilber/Kalomel-Mischung 14 wird in dem Rohr nahe der zylindrischen Wand 24 untergebracht. Im dargestellten Beispiel besteht .die Mischung aus 50% Quecksilber und 50% Quecksilberchlorid, wobei die Prozentangaben in Gewichtsprozent zu verstehen sind. Es ist jedoch leicht ersichtlich, daß andere allgemein bekannte Mischungsverhältnisse zur Herstellung der Quecksilber/ Kalomel-Mischung verwendet werden können. Der aus Platin bestehende Leitungsdraht 20 ist mit einem Ende in der Mischung angeordnet. Das andere Ende des Drahtes 20 ist mit einem üblichen isolierten Kupferdraht 34 verbunden, der eine elektrische Verbindung von der Mischung nach außen aus dem Gehäuse 12 herstellt. Eine Abdichtung 36 ist in dem Rohr angeordnet und umgibt einen Abschnitt des Drahtes 20, so daß dadurch verhindert wird, daß die Quecksilber/Kalomel-Mischung aus dem Gehäuse durch das Rohr austreten kann. Glaswolle 38 ist am anderen Ende des

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Rohres lose in dieses eingeführt, um zu verhindern,, daß die Quecksilber/Kalomel-Mischung aus dem Rohr durch die freiliegende Mündung in dem Gehäuse austreten kann; jedoch ist die Glaswolle ausreichend lose gepackt, tun einen zuverlässigen Kontakt zwischen dem Elektrolyten und der Mischung zu gewährleisten.

In dem gezeigten speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Elektrolyt 18 eine isotonische physiologische Salzlösung aus 9 g Natriumchlorid pro Liter Wasser. Die Salzlösung weist freie Chloridionen auf, welche die Queeksilber/Merkuro-Ionenreaktion in der Halbzelle ermöglichen. Die Salzlösung füllt im dargestellten Beispiel zweckmäßigerweise nicht vollständig das Gehäuse, so daß eine kleine Lufttasche verbleibt. Diese kleine Lufttasche verleiht der Membran eine Nachgiebigkeit, so daß diese sich besser der Oberfläche anpassen und noch zuverlässiger Oberflächenkontakt geben kann. Die Membran 16 besteht aus einem Blatt aus Cellophan 40, welches das offene Ende des Gehäuses 12 abdeckt. Das Cellophanblatt 40 wird an seiner Stelle durch einen üblichen O-Ring 42 aus Gummi gehalten, der in der Nut 26 einrastet. Der O-Ring 42 ist ausreichend fest, so daß der Elektrolyt nicht zwischen der Wand 24 und dem Cellophanblatt 40 aussickern kann.

Die Elektrode 10 ist mit einem entsprechenden Verstärker und einem Aufzeichnungsinstrument in bekannter Weise mit Hilfe elektrischer Leiter, z.B. mit Hilfe des Kupferdrahtes 34, verbunden. Der elektrische Apparat ist hier nicht gezeigt, da er

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dem Fachmann allgemein bekannt ist. Z.B. kann ein im Handel unter der Nr. I5IIA bekannter Elektrokardiograph der Firma Hewlett-Packard hierfür verwendet werden. Die Elektrode 10 wird auf die Haut eines Patienten aufgesetzt und durch geeignete Mittel, z.B. Klebstreifen, festgehalten.

Eine zweite und dritte Elektrode werden ebenfalls an entsprechenden Stellen am Patienten in der bekannten Weise angebracht: Diese werden ebenfalls durch Klebband oder dgl. in ihrer Stellung gehalten und mit dem Elektrokardiographen verbunden. Zusätzliche Elektroden können am Patienten angebracht und mit dem Apparat in geeigneter Weise verbunden werden, und zwar in Abhängigkeit von dem besonderen Anwendungsfall. Das physiologische elektrische Potential zwischen zwei Bereichen des Körpers wird durch die Elektroden festgestellt und dem Elektrokardiographen zugeführt. Es ist wichtig zu bemerken, daß, obwohl die Elektrode am Patienten befestigt und durch diesen Bewegungen unterworfen ist, diese Bewegungen keine Wirkung auf die Elektrode im Hinblick auf die Tatsache ausüben, daß das Potential nur durch die Chloridionenkonzentration im Elektrolyten bestimmt wird. Es ist weiter zu bemerken, daß im wesentlichen keinerlei Gleichstromverschiebung zwischen Elektrodenpaaren auftritt. Das Fehlen einer solchen Gleichstromverschiebung sowie die Stabilität der Halbzelle erleichtern, falls gewünscht, das Durchführen der Messungen mit einem Gleichstromverstärker. Da die Elektrode mit der

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Haut des Patienten in Kontakt gehalten wird ohne Zwischenschaltung einer Paste oder eines Gels, wie dies sonst üblich ist, kann auch kein Austrocknen der Paste oder des Gels auftreten, das bisher zu Veränderungen der Impedanz und zu einer Verzerrung der Signalqualität geführt hat. Da die Elektrode an der Haut der Person in ihrer Stellung gehalten wird, kann der Patient leicht unter der Elektrode transpirieren. Dies führt jedoch zu keiner Beeinflussung der Arbeitsweise der Elektrode.

Die Elektrode 10 ohne Paste oder Gel zwischen Elektrode und Patient gibt die gleichen Ergebnisse wie eine übliche Elektrode mit Paste, wobei jedoch die Elektrode 10 deutlich all¹ die Probleme eliminiert , die bei Verwendung von Paste auftreten. Darüber hinaus werden die oben geschilderten zusätzlichen Vorteile mit der neuen Elektrode erzielt. Die Elektrode 10 und zwei andere identische Elektroden werden am Patienten mit Klebband an üblichen Stellen teFestigt. Die Elektroden werden mit einem Elektrokardiographen, z.B. des oben erwähnten Typs, in der als"Lead I" bekannten Stellung angeordnet und befestigt und die Ergebnisse aufgezeichnet. Eine Kopie der Ergebnisse zeigt Fig.k. Drei sog. Welsh-Elektroden der Firma Bowen & Co., Inc. von Bethesda, Maryland, wurden an dem gleichen Patienten in der gleichen Stellung befestigt. Eine übliche Paste wurde am Patienten in Verbindung mit diesen bekannten Elektroden angebracht. Die bekannten Elektroden wurden in der gleichen

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Konfiguration angebracht, und eine Kopie der Ergebnisse ist in Fig. 5 gezeigt. Ein Vergleich der Elektrokardiogramme demonstriert deutlich, daß bei Ablesungen kurzerDauer keine Differenz zwischen der Verwendung einer üblichen Elektrode mit Paste und einer Elektrode 10 ohne jede Paste festzustellen ist. Die Vorteile der Elektrode 10 treten stärker bei langandauernden Ablesungen auf.

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Claims

- 13 - Patentansprüche

1.}Biomedizinische Elektrode zum Abnehmen elektrischer Messungen von elektrischen Signalen, die durch ein Lebewesen physiologisch erzeugt werden, mit einem elektrischen Leiter zur Verbindung der Elektrode an ein Instrument zum Durchführen der elektrischen Messungen, dadurch gekenn zeichnet, daß mit dem elektrischen Leiter (20,34) eine Quecksilber/Kalomel-Mischung verbunden ist, eine physiologische Salzlösung mit der Mischung (14) in Berührung steht und eine flexible Membran (16) vorgesehen ist, die ihrerseits mit der physiologischen Salzlösung in Berührung steht, wobei die Membran in direkte Berührung mit der Oberfläche des Lebewesens gebracht werden kann, um eine ionische Leitfähigkeit durch die Membran zwischen der Oberfläche und der physiologischen Salzlösung zu ermöglichen.

2. Biomedizinische Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran ein Blatt (40) aus Cellophan ist.

3. Biomedizinische Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse (12) vorgesehen ist, in welchem die Quecksilber/Kalomel-Mischung (14) und die physiologische Salzlösung (18) angeordnet sind, während die Membran (40) über einer Öffnung an einer Seite des Gehäuses abdichtend befestigt ist.

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4. Biomedizinische Elektrode nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Membran (40) abgeschlossene Innenraum des Gehäuses (12) bis auf eine Luftblase mit der physiologischen Salzlösung gefüllt ist.

5. Biomedizinische Elektrode, gekennzeichnet durch eine Quecksilber/Merkurochlorid/Chlorid-Halbzelle mit einem isotonischen Elektrolyten und einer ionendurchlässigen Membran, welche den Elektrolyten einschließt und in direkter Berührung mit der Oberfläche eines Lebewesens zur Ermöglichung einer Ionenleitfähigkeit durch die Membran zwischen der Oberfläche und dem Elektrolyten aufsetzbar ist.

6. Biomedizinische Elektrode nach Anspruch 5i dadurch gekennzeichnet, daß die Halbzelle in einem Gehäuse angeordnet ist, dessen öffnung durch eine permeable Membran abgeschlossen ist derart, daß der isotonische Elektrolyt in dem Gehäuse eingeschlossen ist.

7. Biomedizinische Elektrode nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse eine in Berührung mit dem Elektrolyten stehende Luftblase vorgesehen ist, welche der Membran eine Anpassung an den Oberflächenverlauf des Lebewesens gestattet.

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8. Biomedizinische Elektrode nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß die Membran ein Blatt aus Cellophan ist.

9. Biomedizinische Elektrode nach Anspruch 1 bis 8₃ dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung (I¹O am inneren Ende eines durch die Umfangswand des Gehäuses (12) ragenden Röhrchens (32) angeordnet ist und die freie Mündung des Röhrehens durch ein für den Elektrolyten durchlässiges Material ausgestopft ist.

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