DE2926165C2 - Meßvorrichtung zum Verarbeiten von physiologischen Eingangssignalen - Google Patents

Description

Es besteht das Problem, daß beim Messen von Signalen mit geringer Intensität, wie sie physiologische Meßsignale im allgemeinen haben, die Messung in ernster Weise dadurch gestört werden kann, daß die Signale Stärkekomponenten enthalten, deren Intensität erheblich größer ist, als die der zu messenden Signale. Ein Beispiel findet man u. a. beim Messen von EEG-Signalen, wobei die störenden Komponenten eine Amplitude haben können, die um einige Größenordnungen höher als die der zu messenden Komponente liegt.

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Meßvorrichtung ist aus der Offenlegungsschrift DE 25 18 269 A1 bekannt.

Diese Meßvorrichtung ist spezifisch auf das Messen von EEG- Signalen gerichtet. Das bedeutet, daß die Wirkung und der Aufbau der bekannten Vorrichtung sehr eng mit einem spezifisch physischen Generationsmodell, nämlich dem menschlichen Schädel, zusammenhängen. In einer solchen Situation kann man tatsächlich die verschiedenen Meßwerte über verschiedene Widerstände zu einem endgültigen Signal, das einen gewogenen Mittelwert bildet, beitragen lassen. Dabei wird das Referenzsignal von einer ebenfalls am Schädel angebrachten Referenzelektrode abgeleitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorausgesetzte Meßvorrichtung so zu verbessern, daß mit ihr physiologische Signale mit kleiner Intensität, wie das beispielsweise obengenannte EEG-Signal, mit großer Genauigkeit und geringer Störempfindlichkeit gemessen werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Ein wichtiger Vorteil der Meßvorrichtung nach der Erfindung ist, daß diese im Gegensatz zu der bekannten Vorrichtung keine Referenzelektrode benötigt. Die Praxis lehrt, daß man für die Störsignal-Eliminierung dann auch völlig von dieser einen Referenzelektrode abhängig ist. Wenn daher die einzige Referenzelektrode defekt ist oder nicht richtig angeordnet ist, werden alle Meßsignale von zusätzlichen Störsignalen beeinflußt, die nicht oder kaum entfernt werden können.

Auch ist mit einer einzigen gemeinsamen Referenz-Elektrode eine gute Stör-Unterdrückung (50 Hz-Brumm) nicht gewährleistet.

Diese Probleme nehmen zu, je weiter die Meßelektrode sich von der einzigen gemeinsamen Referenzelektrode entfernt befinden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Meßvorrichtung nach der Erfindung werden an Hand der Figuren im einzelnen beschrieben.

Fig. 1 ist ein Schema zur Erläuterung des bei der Erfindung verwendeten Meß-Prinzips;

Fig. 2 ist ein detailliertes Schema einer Vorrichtung nach der Erfindung, wobei Elektrometerverstärker benutzt werden;

Fig. 3 ist ein ähnliches Schema, wobei Operationsverstärker verwendet werden.

In Fig. 1 ist ausschließlich zur Erläuterung das bei der Erfindung verwendete Prinzip wiedergegeben. Diese Vorrichtung umfaßt eine Anzahl Signalbahnen, von denen die Anzahl in Fig. 1 N beträgt. Weil alle Signalbahnen in gleicher Weise ausgebildet sind, wird nur eine Bahn näher erläutert.

Jede Bahn ist dabei mit einer Eingangsklemme 1 versehen, die über einen Impedanztransformator 2 mit einem Verstärker 3 verbunden ist, dessen Ausgang mit der Ausgangsklemme 4 der betreffenden Bahn verbunden ist. An die Eingänge der N Bahnen können verschiedene Eingangssignale, bezeichnet mit V₁, V₂ . . . V_N, angelegt werden. An den Ausgängen der verschiedenen Bahnen können die Ausgangssignale E₁, E₂, E₃ . . . E_N abgenommen werden; an der Klemme 8 wird das im nachstehenden definierte V abgenommen.

Wie aus dem Schema ersichtlich, besitzt jede Bahn zwischen dem Verstärker 3 und der Ausgangsklemme 4 eine Abzweigung, wobei alle Abzweigungen von der Anzahl Bahnen nach einer Mittelwertbestimmungsvorrichtung 5 führen, deren Funktion später erläutert wird. Der Ausgang dieser Mittelwertbestimmungsvorrichtung 5 ist über einen Impedanztransformator 6 mit einem Punkt jeder Bahn, der zwischen dem Impedanztransformator 2 und dem Verstärker 3 dieser Bahn angeordnet ist, gekoppelt, wie schematisch bei 7 dargestellt. Wenn man das Ausgangssignal des Impedanztransformators 6 mit V_ref bezeichnet, wie in Fig. 1 bei einer gesonderten Klemme 8 angegeben, so kann abgeleitet werden, daß

wobei α der Verstärkungsfaktor jedes Verstärkers 3 ist.

Für E gilt:

Mit Hilfe von E_i und V_ref kann in einer sehr einfachen Schaltung für jede individuelle Bahn ein sogenanntes "guard"- Signal erzeugt werden, das seinem V_i entspricht, im Gegensatz zu dem üblichen "guarding" mit den gemeinsamen Komponenten aller Signale.

Wenn jetzt angenommen wird, daß V_i=V_i′+V_c, wobei V_c die in V_i vorhandene gemeinsame, z. B. überflüssige Information ist, wie oben erläutert, so gilt:

Es stellt sich heraus, daß in dieser Gleichung für E_i die Größe V_c nur mit dem Koeffizienten vorkommt, und daher je nachdem α größer ist, einen verhältnismäßig geringeren Wert hat. Diese Größe verschwindet völlig, wenn bei einer bipolaren Eingangssignalmessung der Unterschied zwischen z. B. E_i und E_j bestimmt wird, weil dann gilt:

U_ÿ = β (E_i - E_j) = αβ (V_i′ - V_j′)

wobei β der Verstärkungsfaktor des Differentialverstärkers ist, dem E_i und E_j zugeführt werden.

Es ist auch möglich, E_i und V_ref einem Differentialverstärker mit einem Verstärkungsfaktor β zuzuführen, in welchem Fall man eine quasi-unipolare Messung erhält, und zwar in folgender Form:

In dieser Gleichung kommt das charakteristische Signal V_i′ vor, vermindert mit dem mittleren Wert aller nicht-gemeinsamen Komponenten der zu dem V_ref beitragenden Signale.

Es hat sich gezeigt, daß man gemäß diesem Prinzip bei einer Messung von z. B. EEG-Signalen ein besonders gutes Resultat erhält. Ein anderer wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, daß deren Wirkung völlig unabhängig von der Anzahl N der in jedem beliebigen Augenblick beitragenden Signalquellen ist.

Man kann das obige Prinzipschema unter Anwendung von Elektrometerverstärkern verwirklichen.

Eine solche Ausführungsform ist in Fig. 2 wiedergegeben. Man findet in dieser die oben definierten Elemente 1, 3, 4, 5, 6 und 8.

Zum Erhalten der obengenannten Größen U_ÿ bzw. U_ii dienen die Differentialverstärker 9 und 10.

Da jedoch die Auswahlmöglichkeiten bei Elektrometerverstärkern gering sind, empfiehlt es sich, sog. Operationsverstärker anzuwenden. Dabei hat man eine große Entwurffreiheit zur Verwirklichung erfindungsgemäßer Vorrichtungen verschiedener Qualität.

Eine solche mit Operationsverstärkern arbeitende Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in Fig. 3 wiedergegeben.

Es wird angenommen, daß b ei der in Fig. 2 wiedergegebenen Schaltung, die Widerstände R alle einander gleich sind ebenso wie die Widerstände R′ und die Widerstände R_r. Die gleichen Verstärkungsfaktoren α der mit Operationsverstärkern gebildeten, verstärkenden Impedanztransformatoren 3 kommen dadurch zustande, daß in jeder Bahn R′=(α-1)R gebildet wird. Um die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers nicht unendlich groß bleiben zu lassen, wird so eingestellt, daß durch den Spannungsteiler, bestehend aus R und (α-1)R auch die Spannung auf dem invertierenden Eingang mit V_i gleich gemacht wird. So ist also:

oder aber:

α (V_i - V_ref) = E_i - V_ref

Die Mittelwertbildung dieser Gleichung über die N verschiedenen Signale liefert dann ein rechtes Glied gleich Null und also ist:

Nach Einsetzung in dieselbe Gleichung zeigt es sich, daß für jeden Ausgang gilt:

Ebenso wie in dem vorher betrachteten Fall wird V_i=V_i′+V_c angenommen. Dies führt dazu, daß

ist.

Man sieht, daß der Beitrag von V_c mit dem Faktor vorkommt und daher, je größer α wird, V_c kleiner wird. Diese Größe verschwindet bei einer bipolaren Messung, wenn der Unterschied zwischen z. B. E_i und E_j bestimmt wird:

U_ÿ = β (E_i - E_j) = αβ (V_i′ - V_j′)

wobei β wieder der Verstärkungsfaktor des Differentialverstärkers 9 ist, dem E_i und E_i zugeführt werden.

Wenn ebenso wie in dem oben betrachteten Fall E_i und V_ref einem Differentialverstärker 10 mit einem Verstärkungsfaktor β zugeführt werden, erhält man eine quasi-unipolare Messung:

Es ist daraus ersichtlich, daß man bei dieser Modifikation dasselbe Resultat wie bei dem oben betrachteten theoretischen Fall erhält.

Es wird darauf hingewiesen, daß man beim Arbeiten mit Elektrometerverstärkern dafür sorgen muß, daß die Verstärkungsfaktoren α einander möglichst gleich sind, daß die Elektrometerverstärker linear sind, daß zwischen den Bahnen eine gute Entkopplung vorhanden ist und daß die Eingangsimpedanzen hoch sind.

Wenn mit Operationsverstärkern gearbeitet wird, gelten dieselben Anforderungen. Unterschiede in dem Wert der Widerstände R_r bzw. R der verschiedenen Bahnen haben keinen Einfluß auf die gute Wirkung. Der Verstärkungsfaktor α, der ausschließlich durch das Verhältnis zwischen den Widerständen R′ und R bestimmt wird, muß jedoch in jeder Bahn gleich sein.

Dadurch besteht die Möglichkeit, eine modulare Konstruktion anzuwenden, wobei die Regelung des Verstärkungsfaktors α für einen einzigen Modul keinen Einfluß auf die für jeden anderen Modul hat. Die einzige Wechselwirkung zwischen den Signalbahnen läuft ja über die Mittelwertbestimmungsvorrichtung, was völlig auf niederimpedantem Niveau erfolgt.

Für beide Anwendungsweisen kann derselben Typ einer Mittelwertbestimmungsvorrichtung verwendet werden, wobei die Anforderungen bestehen, daß (zumal bei Anwendung für eine quasi-unipolare Messung) die Widerstände R_r möglichst gleich sind und gleiche Temperaturkoeffizienten haben, und der Impedanztransformator 6, im Verhältnis zu der Parallelschaltung von N Widerständen R_r eine sehr hohe Impedanz hat und gut entkoppelt ist.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Genauigkeit der ganzen Vorrichtung von der Qualität der angewendeten Operationsverstärker 3 abhängig ist.

Wenn große Unterschiede in der spezifischen Komponente von Gruppen von Eingangssignalen vorhanden sind, wie das der Fall ist, wenn sowohl EEG-Signale als auch z. B. EMG-Signale gemessen werden, kann es nützlich sein, für diese Gruppen Signale gesonderte Mittelwertbestimmungsvorrichtungen anzuwenden. Dadurch wird vermieden, daß eine Vermischung von spezifischen EEG-Signalen mit EMG-Signalen und umgekehrt von spezifischen EMG-Signalen mit EEG-Signalen entsteht. Weil der Signaltransport zwischen Eingangsverstärker und Mittelwertbestimmungsvorrichtung in nieder-impedantem Niveau erfolgt, kann durch einen 2poligen Schalter pro Eingangsverstärker die Wahl getroffen werden, an welche Mittelwertbestimmungsvorrichtung dieser Eingangsvestärker oder diese Gruppen von Eingangsverstärkern angeschlossen wird bzw. werden.

Es muß dafür gesorgt werden, daß sowohl der Eingang wie der Ausgang eines Eingangsverstärkers an dieselbe Mittelwertbestimmungsvorrichtung angeschlossen wird.

Claims (5)

1. Meßvorrichtung mit einer Mehrzahl von Kanälen zum Verarbeiten einer Mehrzahl von physiologischen Eingangssignalen (V_i), die je eine spezifische Signalkomponente (V_i′) und eine für alle Eingangssignale gemeinsame Signalkomponente (V_c) umfassen, welche Vorrichtung in jedem Kanal einen eine Impedanztransformation bewirkenden Eingangsverstärker (3) mit einem positiven und einem negativen Eingang umfaßt, wobei dem positiven Eingang jedes Eingangsverstärkers (3) das zugehörige Eingangssignal (V_i) und dem negativen Eingang ein für alle Kanäle gleiches Referenzsignal (V_ref) zugeführt wird, und wobei ein mit den Ausgängen (4) aller Eingangsverstärker (3) verbundener Mittelwertbildner (5) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Bilden des Referenzsignals (V_ref) das Ausgangssignal des Mittelwertbildners (5) herangezogen wird.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Eingangsverstärker (3) aus einem Elektrometerverstärker mit einem negativen und einem positiven Eingang besteht.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Eingangsverstärker (3) ein Operationsverstärker mit einem negativen und einem positiven Eingang ist, wobei die zu verarbeitenden Eingangssignale (V_i) an dem positiven Eingang liegen, während der negative Eingang jedes Verstärkers (3) über einen ersten Widerstand (R′) mit dem Ausgang (4) jedes betreffenden Verstärkers (3) und über einen zweiten Widerstand (R) mit dem Ausgang des Mittelwertbildners (5) verbunden ist.

4. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge (4) von wenigstens zwei Eingangsverstärkern (3) mit den Eingängen eines zugehörigen Differenzverstärkern (9) verbunden sind zur Erzeugung eines bipolaren Ausgangssignals (U_ÿ).

5. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor (α) jedes Eingangsverstärkers (3) groß ist und daß der Ausgang (4) von wenigstens einem Eingangsverstärker (3) und der Ausgang des Mittelwertbildners (5) mit den Eingängen eines zugehörigen Differenzverstärkers (10) verbunden sind zur Erzeugung eines quasi-unipolaren Ausgangssignals (U_ii).