DE2646277A1

DE2646277A1 - Schaltungsanordnung zum steuern des durchgangs von elektrischen signalen

Info

Publication number: DE2646277A1
Application number: DE19762646277
Authority: DE
Inventors: James Lyle Miller
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1975-11-03
Filing date: 1976-10-14
Publication date: 1977-05-05
Also published as: DE2646277C2; US3986495A

Description

Int. Az.: Case 1025 4 13. Oktober 1976

Hewlett-Packard Company

SCHALTUNGSANORDNUNG ZUM STEUERN DES DURCHGANGS VON ELEKTRISCHEN

SIGNALEN

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Steuern des Durchgangs von elektrischen Signalen.

Wenn eine Elektrode, beispielsweise am Ende einer EKG-Leitung, an den Körper eines Patienten angelegt wird, führt dieses zu einer potentiellen Gefährdung durch elektrischen Schock für die Patienten. Elektroden sind nämlich in der Regel derart ausgelegt, daß sie zu dem Patienten eine Verbindung mit niedrigem Widerstand herstellen und dadurch die übertragung von physiologischen Signalen mit niedriger Amplitude vom Patienten ermöglichen. Durch diese Verbindung mit niedrigem Widerstand wird jedoch auch die übertragung von gefährlichen Spannungen an den Patienten sowie der Stromfluß zu und vom Patienten erleichtert, wodurch dieser einem elektrischen Schock ausgesetzt werden kann. Solche gefährlichen Spannungen und Ströme können durch die Entladung statischer Ladungen, durch den Kontakt des Patienten oder einer Elektrode mit der umgebenden elektrischen Ausrüstung, durch Fehler der EKG- oder EEG-Anordnung, durch Masseverbindungen oder Streukapazitäten entstehen, welche sich häufig zwischen der Leitung und den geerdeten Gegenständen entwickeln, mit denen die Leitung verbunden ist.

Viele Spannungs- und Strombegrenzungseinrichtungen, beispielsweise Trennschaltkreise und nicht-lineare Serien-Schaltkreise sind entwickelt worden, um den Patienten gegen elektrischen Schock zu schützen. Trennschaltkreise umfassen im allgemeinen eine beträchtliche potentialfreie oder nicht-geerdete Schaltung mit Modulatoren und Übertragern oder Einrichtungen zur Kopplung optischer, elektromagnetischer oder akustischer Energie. Diese Schaltkreise sind jedoch in der Regel komplex und kostspielig und üblicherweise in einiger Entfernung vom Patienten an der biomedizinischen Anordnung angebracht, so daß sie den

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Patienten nicht in angemessener Weise gegen elektrischen Schock schlitzen,

beispielsweise durch Ströme, die sich bei langen Leitungen in Folge von Streukapazitäten ausbilden. Eine weitere Störungsquelle bilden durch elektrostatische Aufladung entstehende hohe Gleichtakt-Spannungen, die sich bei Mehrfach-Elektroden auf dem Körper des Patienten ausbilden.

Nicht-lineare Reihenschaltungen haben gewissen inhärente Nachteile bezüglich der Vermeidung von Schocks für den Patienten. Dabei handelt es sich meistens um Halbleiterschaltungen mit Feldeffekttransistoren, bipolaren Transistoren oder Dioden.

Feldeffekt-Transistorschaltungen sind zu komplex und kostspielig und können leicht beschädigt werden, wenn große Überlastungsspannungen, beispielsweise Defibrillations-Spannungen oder Gllihkauter-Spannungen auftreten. Glühkauter-Spannungen betragen in der Regel 2 kV, während Defibrillations-Spannungen in der Regel 8 kV betragen.

Bipolare Transistorschaltungen, die häufig mit einer Vielzahl von bipolaren Transistoren, einer Batterie und einem oder mehreren Widerständen ausgebildet sind, haben die gleichen Nachteile wie Feldeffekttransistorschaltungen, abgesehen von dem zusätzlichen Nachteil, daß die Batterie nur eine begrenzte Lebensdauer hat.

Strombegrenzungsschaltungen vom Diodentyp umfassen im allgemeinen DiodenbrUekenschaltungen, Diodenschaltungen vom "hot-carrier"-Typ, Germanium-Dioden oder Siliziumdioden. Diodenbrlickenschaltungen schützen den Patienten nicht ausreichend gegen Kurzschlußströme, die in langen Leitungen auftreten, da derartige Schaltkreise im allgemeinen aufgrund ihres Raumbedarfs in der biomedizinischen Anordnungen selbst und entfernt vom Patienten angeordnet sind. Beispielsweise erfordern solche Schaltkreise häufig Platz für Spannungsquell en,die positive und negative Spannungen abgeben, und sie erfordern wenigstens vier Verbindungsleitungen, eine Signal quell en!eitung, eine Signalausgangsleitung und zwei Leitungen für die Spannungsquelle.

Schaltungen mit Hot-Carrier-Dioden bieten weniger Schutz bei zunehmender Temperatur. Beispielsweise erhöht sich die Leitfähigkeit dieser Schaltungen um den Faktor 14 bei jeweils 25° Temperaturerhöhung . Schalt-

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-Ir-

kreise mit Hot-Carrier-Dioden begrenzen die Menge des zu einem Patienten fließenden Stromes nicht in ausreichender Weise. Typischerweise erlauben diese Schaltkreise, daß 5 mA bzw. 60 mA über eine typische Leitungsanordnung mit zwölf Leitungen zum Patienten fließen.

Schaltungen mit Germaniumdioden haben häufig eine niedrige Durchbruchsspannung, die diesen bei Netzspannungen von 220 V oder mehr nicht ausreichend schützen. Da der Lecksperrstrom von Germaniumdioden relativ hoch ist und bei Raumtemperatur in der Regel 1 bis 20 μΑ beträgt und sich bei jeweils 8 Temperaturerhöhung verdoppelt nimmt die Schutzwirkung gegen elektrische Schocks um 50% ab, wenn die Temperatur sich um 8° erhöht. Die Ursache für eine Temperaturerhöhung kann beispielsweise in den Glühlampen oder anderen Wärmequellen in einem Betriebsraum nahe dem Schaltkreis liegen.

Siliziumdiodenschaltungen haben einen hohen Reihenwiderstand und ein niedriges Leitungsvermögen aufgrund ihres kl einen Lecksperrstromes. Da die physiologischen Signale eines Patienten in der Regel eine niedrige Amplitude haben und nur durch Schaltungsanordnungen mit hohem Leitvermögen weitergeleitet werden, sind Schaltungen mit Siliziumdioden aufgrund des relativ hohen Durchlaßwiderstandes ungeeignet für die Leitung derartiger biomedizinischer Signale.

Durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 wird eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff angegebenen Art derart verbessert, daß in schaltungstechnisch einfacher Weise ein wirkungsvollerer Schutz des Patienten gegen elektrische Schocks erreicht wird.

Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen. Vorzugsweise wird eine optisch erregte Dioden-Strombegrenzer-Schaltung in Reihe mit einer Leitung und einer mit dem Patienten verbundenen Elektrode geschaltet. Der Schaltkreis leitet die durch die Elektrode aufgenommenen physiologischen Signale des Patienten, begrenzt jedoch die durch die Leitung fließende Strommenge und schützt damit den Patienten gegen elektrischen Schock.

Die Schaltungsanordnung umfaßt zwei optisch erregbare Siliziumdioden,

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die in der Leitung seriell eingefügt sind, wobei gleichartige Elektroden der beiden Dioden miteinander verbunden sind. Eine Diode ist mit der Elektrode des Patienten verbunden zur Aufnahme von Signalen vom Patienten. Die andere Diode ist mit einer Signal Verarbeitungsschaltung zur Abgabe von Patientensignalen an diese Schaltung verbunden. Diese Schaltung umfaßt auch eine einstellbare Lichtquelle zur Beleuchtung der Dioden, um dadurch den Lecksperrstrom und somit die Leitfähigkeit der Dioden zu erhöhen, sowie einen Hüll körper, der verhindert, daß das externe Licht die Dioden erreicht. Wenn die Intensität der Lichtquelle erhöht wird, wird die Leitfähigkeit der Dioden ausreichend erhöht, so daß kleine Signalströme unterhalb eines vorbestimmten, für den Patienten unschädlichen Pegels durch die Dioden gelangen. Eine der Dioden sperrt zum Patienten fließende Ströme über diesem Pegel, während die andere Diode vom Patienten fließende Ströme sperrt.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar:

Figur 1 Eine Strom-Begrenzungsschaltung gemäß der Erfindung; Figur 2 und 3 Strom/Zeit-Diagramme zur Erläuterung der sich bei der Schaltungsanordnung gemäß Figur 1 ergebenden Signalformen.

Figur 1 stellt eine optisch erregbare Dioden-Strombegrenzerschaltung 11 mit kathodenmäßig verbundenen Siliziumdioden 13 und 15 dar, die in Reihe mit einer Leitung 17 geschaltet sind und eine veränderbare Lichtquelle 19 aufweist, die beispielsweise eine durch ein Potentiometer 20 gesteuerte Lichtquelle zur optischen Erregung der Dioden 15 und 17 aufweisen kann. Weiterhin ist ein Hüllkörper 21 vorgesehen, um Umgebungslicht von den Dioden 13 und 15 fernzuhalten. Die Lichtquelle kann beispielsweise das Ende einer Faseroptik-Leitung sein oder nicht-sichtbares Licht wie Röntgenstrahlen aussenden. Die durch die Elektrode 23 am Ende der Leitung 17 aufgenommenen Signale werden selektiv durch den Strombegrenzer 11 über die Leitung 18 an eine Signal Verarbeitungseinrichtung 25 übertragen. Diese Einrichtung kann beispielsweise ein Elektrokardiograph sein.

Der Strombegrenzer sollte nahe der Elektrode 23, beispielsweise 1,5 m von dieser Elektrode entfernt angeordnet sein. In diesem Fall werden Kurzschlußströme verhindert, die sich infolge von Streukapazitäten bei langen Leitungen zwischen dem Patienten und dem Strombegrenzer ausbilden

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würden.

Wenn Licht von der Stromquelle 19 auf die Dioden 13, 15 einfällt, wobei es sich um zwei Dioden gemäß Figur 1 oder eine größere Anzahl von Dioden handelt, werden freie Ladungsträger an den übergängen der Dioden gebildet. Dadurch wird der Widerstand der Dioden 13, 15 herabgesetzt. Wenn den Dioden 13, 15 kleine Signale mit Spannungspegeln im Bereich von -25 mV bis +25 mV zugeführt werden, verhalten sich die beiden Dioden ähnlich wie Widerstände mit einem konstanten Wert und haben ein lineares Signalspannungs/Stromverhältnis in diesem Spannungsbereich. Wenn die Dioden wie Widerstände wirken, führen die Dioden Signale mit kleinen, unschädlichen Strömen, beispielsweise physiologische Signalströme. Aus Figur 2 geht das Verhältnis zwischen der angelegten Spannnung V und dem Strom I durch die Dioden 13 und 15 hervor. Wenn eine ausgewählte Lichtmenge auf die Dioden 13 und 15 einfällt, ändert sich die Höhe des durch die Dioden 13 und 15 geführten Stromes linear von -I-, bis +Ip wenn die angelegte Spannung sich von -25 mV bis + 25 mV ändert. I, stellt den Leckrückstrom der Dioden 13 und 15 dar und ist das Strommaximum, welches seriell durch beide Dioden 15 und 13 bei einer ausgewählten Menge des einfallenden Lichtes gelangen kann.

Aus Figur 3 geht hervor, daß durch Veränderung der Lichtintensität der Lichtquelle 19, beispielsweise durch entsprechende Einstellung des Potentiometers 20 und demgemäß die Erhöhung des auf die Dioden 13 und 15 einfallenden Lichtes sich der Grenzwert I, zu dem Grenzwert I„ ändert.

Die Dioden 13 und 15 führen kleine zu oder von dem Strombegrenzer 11 fließende Ströme. Dadurch, daß die Dioden Rücken an Rücken angeordnet sind, ergibt sich keine Auswirkung auf die Stromrichtung solcher kleinen Ströme, wenn die Dioden 13 und 15 wie Widerstände wirken. Demgemäß würde ein physiologisches Signal, das von einem Patienten 27 zu einem Strombegrenzer 11 gelangt, nicht durch die Diode 15 gesperrt werden. Der Strom könnte vielmehr zu der Signalverarbeitungseinrichtung 25 gelangen.

Wenn jedoch das zugeführte Spannungssignal sich außerhalb des vorgenannten Bereichs befindet, d.h. kleiner als - 25 mV oder größer als + 25 mV ist, verhalten sich die Dioden 13 und 15 wie typische Diodenhalbleiter, von denen jeder Strom in einer Richtung führt und den Strom in der entgegengesetzten Richtung sperrt, dessen Amplitude größer als der Grenz-

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wert I-, ist. Signale mit höheren Strompegeln als I-,, beispielsweise Elektrokauter - oder Defibrillationssignale oder durch Erdschleifen oder Streukapazitäten oder eine fehlerhafte Anordnung hervorgerufene Signale sind für den Patienten schädlich und werden durch den Strombegrenzer 11 daran gehindert, zu oder von dem Patienten zu fließen. D.h. es kann kein größerer Strom als I-, durch den Strombegrenzer 11 fließen. Die Diode 15 des Strombegrenzers sperrt Ströme von schädlichen Signalen, die von der Diode 13 zur Diode 15 fließen. Ein der Diode 15 zugeführtes schädliches Signal spannt die Diode 15 in Sperr-Richtung vor. Die Diode 15 führt Signale mit Strompegeln, die kleiner oder gleich dem Wert von I, sind und sperrt Signale mit Strompegeln, die größer als I, sind. In ähnlicher Weise wird die Diode 13 in Sperr-Richtung durch schädliche Signale vorgespannt und sperrt den Durchgang aller Ströme, die größer als der Grenzwert I, sind und erlaubt den Durchgang von Strömen, deren Amplitude kleiner oder gleich dem Grenzwert I, ist.

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Claims

Int. Az.: Case 1025

Hewlett-Packard Company 13. Oktober 1976

PATENTANSPRÜCHE

ι IJ Schaltungsanordnung zum Steuern des Durchgangs von elektrischen Signalen zu und von einem Patienten, der über eine Leitung an eine Signalverarbeitungseinrichtung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Strombegrenzer (13) mit Gleichrichterwirkung einen optisch erregbaren Abschnitt aufweist, der in Reihe mit der Leitung geschaltet ist und vom Patienten stammende Signale leitet und zu dem Patienten führende Signale oberhalb eines bestimmten Signalpegels sperrt, ein zweiter Strombegrenzer (15) mit Gleichrichterwirkung einen optisch erregbaren Abschnitt aufweist, der in Reihe mit dem ersten Strombegrenzer und der Leitung verbunden ist und Signale zu dem Patienten führt und von dem Patienten stammende Signale über einen vorbestimmten Schwel!wert sperrt, eine Lichtquelle (19) in einem ausgewählten Abstand von den ersten und zweiten Strombegrenzern (13, 15) angeordnet ist und die optisch erregbaren Abschnitte beider Strombegrenzer beleuchtet und ein Hüll körper (21) um die ersten und zweiten Srombegrenzer (13, 15) und die Lichtquelle (19) herum angeordnet ist und verhindert, daß externes Licht auf die ersten und zweiten Strombegrenzer fällt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Strombegrenzer mit Gleichrichter-Wirkung (13) eine optisch erregbare Siliziumdiode ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Strombegrenzer mit Gleichrichterwirkung (15) eine optisch erregbare Siliziumdiode ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (19) eine veränderliche Lichtquelle zur Beleuchtung der ersten und zweiten Strombegrenzer durch Licht mit unterschiedlichen Intensitäten ist.

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