DE69617564T2

DE69617564T2 - Taschenvorrichtung zur Detektion eines elektrischen, biologischen Signals, insbesondere eines elektrokardiographischen Signals

Info

Publication number: DE69617564T2
Application number: DE69617564T
Authority: DE
Inventors: Arrigo Castelli
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-08-01
Filing date: 1996-07-31
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2016-08-01
Also published as: US5713365A; JPH09117420A; IT1280884B1; EP0761164A1; ITTO950646A1; ITTO950646A0; EP0761164B1; DE69617564D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Tascheninstrument zum Erfassen eines elektrobiologischen Signals, insbesondere eines elektrokardiographischen Signals.
Von Instrumenten zum Erfassen elektrokardiographischer Signale ist bekannt, daß sie Verstärkungsschaltungen aufweisen, mit einem ersten Verstärker, der am Eingang mit einer ersten Elektrode zum Empfangen eines elektrischen Signals kommuniziert, welches von einem ersten Bereich des menschlichen Körpers (z. B. dem rechten Arm) aufgenommen wird, einem zweiten Verstärker, der am Eingang mit einer zweiten Elektrode zum Empfangen eines elektrischen Signals kommuniziert, das von einem zweiten Bereich des menschlichen Körpers (z. B. dem linken Arm) aufgenommen wird, und einem dritten invertierenden Verstärker zum Verstärken der Differenz zwischen den Ausgangssignalen des ersten und zweiten Verstärkers und am Ausgang mit einer dritten Elektrode kommunizierend, die an einen dritten Bereich des menschlichen Körpers (z. B. einem Bein) angelegt ist. Die erste und die zweite Elektrode nehmen die elektrobiologischen Körpersignale auf, die durch die Tätigkeit des Herzens erzeugt werden, wohingegen die dritte ein Rückführungssignal zum Beseitigen (oder wenigstens Dämpfen) von im menschlichen Körper vorhandener Rauschsignale liefert, die typischerweise periodische Signale sind, die durch eine Leitungsspannung erzeugt werden.
Um korrekt zu arbeiten, erfordern solche Instrumente deshalb drei externe Elektroden, die an unterschiedlichen Teilen des Körpers liegen.
Die Druckschrift EP-A-0617917 offenbart einen Vorverstärker für elektrokardiographische Signale. Die Druckschrift EP-A-0106756 offenbart eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Zweielektroden- Tascheninstrument mit einer Verstärkungsschaltung des vorerwähnten Typs zu schaffen, zum Erfassen, Verarbeiten und Wiedergeben eines elektrobiologischen Signals, insbesondere eines elektrokardiongraphischen Signals. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für eine schlichte, schnelle elektrische Verbindung zwischen dem menschlichen Körper und den Elektroden mit einem hohen Maß an Rauschunterdrückung zu sorgen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Tascheninstrument zum Erfassen eines elektrobiologischen Signals, insbesondere eines elektrokardiographischen Signals gemäß Anspruch 1 geschaffen.
Eine bevorzugte, nicht beschränkende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird auf dem Wege eines Beispiels mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Instruments zum Erfassen eines elektrobiologischen Signals, insbesondere eines elektrokardiographischen Signals, in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ein Blockdiagramm der elektronischen Schaltung des Instruments aus Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 ein vereinfachtes elektrisches Diagramm eines Verstärkers der elektronischen Schaltung aus Fig. 2 zeigt;
Fig. 4 ein Beispiel des Instruments aus Fig. 1 in Benutzung zeigt.
Die Nummer 1 in Fig. 1 bezeichnet ein Tascheninstrument zum Erfassen eines elektrokardiographischen Signals und mit einem im wesentlichen quaderförmigen äußeren Gehäuse 2 und einer elektronischen Schaltung 3 (schematisch dargestellt), die innerhalb des Gehäuses 2 aufgenommen ist. Insbesondere weist das Gehäuse 2 eine flache rechtwinklige Wand 4 auf, auf der eine Anzeige 5 und zwei Eingangssignale erfassende Elektroden 7, 8 sitzen. Die Elektroden 7, 8 sind im wesentlichen flach, weisen jeweils Metallplatten 7a, 8a auf der Wand 4 auf und kommunizieren mit der Schaltung 3 über jeweiligen elektrische Leitungen 13, 14.
Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm der elektronischen Schaltung 3 zum Verarbeiten der Eingangssignale. Insbesondere umfaßt die Schaltung 3 einen Verstärker 17, der zwei Eingänge 17a, 17b aufweist, die jeweils über jeweilige elektrische Leitungen 13, 14 an die Elektroden 7, 8 angeschlossen sind, und einen Ausgang 17a aufweist, der an einen Eingang eines Mikrocomputers 22 zum Verarbeiten des Ausgangssignals des Verstärkers 17 angeschlossen ist. Insbesondere, und wie im Detail später beschrieben wird, liefert der Verstärker 17 ein Ausgangssignal, das zur Differenz zwischen den Signalen an den Eingängen 17a, 17b proportional ist.
Der Mikrocomputer 22 umfaßt einen Mikrokontroller (nicht gezeigt); einen ROM- Speicher (nicht gezeigt); einen RAM-Datenspeicher (nicht gezeigt); und einen Analog-Digital-Konverter (nicht gezeigt) zum Empfangen der Signale vom Verstärker 17.
Der Mikrocomputer 22 kommuniziert über eine elektrische Leitung 24a mit einer Ansteuerschaltung 24.
Die Schaltung 3 umfaßt auch eine geregelte Spannungsversorgung 25, die über ein oder zwei Batterien 26 (z. B. 1,5 V Batterien in Reihe) geregelt wird und mit dem Verstärker 17, dem Mikrocomputer 22 und der Ansteuerschaltung 24 kommuniziert. Insbesondere liefert die Spannungsversorgung 25 eine erste 5 V Spannung zum Versorgen des Verstärkers 17, des Mikrocomputers 22 und der Schaltung 24; und eine zweite 2 V Spannung zum Versorgen des Datenspeicher (nicht gezeigt) des Mikrocomputers 22, selbst dann, wenn das Instrument 1 ausgeschaltet ist.
Die Nummer 17 in Fig. 3 bezeichnet einen Verstärker zum Verstärken eines elektrobiologischen Signals, der einen ersten und einen zweiten Operationsverstärker 30 und 31 umfaßt, die über ein Widerstandsnetzwerk 32 miteinander verbunden sind.
Insbesondere weist der erste Verstärker 30 einen nicht invertierenden Eingang (+) auf, der an die elektrische Leitung 13 angeschlossen ist, welche an einem Ende mit der Elektrode 7 kommuniziert, die an einen ersten Bereich des Körpers, insbesondere den linken Arm (schematische dargestellt), angelegt ist.
Der zweite Verstärker 31 weist einen nicht invertierenden Eingang (+) auf, der an die elektrische Leitung 14 angeschlossen ist, welche an einem Ende mit der Elektrode 8 kommuniziert, die an einen zweiten Bereich des Körpers, insbesondere den rechten Arm (schematisch dargestellt), angelegt ist.
Das Widerstandsnetzwerk 32 umfaßt einen Widerstand 33 zwischen den invertierenden Eingängen (-) der Verstärker 30 und 31; einen Widerstand 34 zwischen dem invertierenden Eingang (-) und dem Ausgang 30u des Verstärkers 30; und einen Widerstand 35 zwischen dem invertierenden Eingang (-) und dem Ausgang 31u des Verstärkers 31; und der Faktor der Verstärker 30, 31 wird ausgewählt (in bekannter Weise) gemäß dem Widerstand der Widerstandsbauteile 33, 34, 35.
Über jeweilige Widerstände 36, 37 kommunizieren die Ausgänge 30u, 31u der Verstärker 30, 31 jeweils mit dem invertierenden Eingang (-) und nicht invertierenden Eingang (+) eines differenzierenden Operationsverstärkers 38, dem Ausgang 17u, welcher dem Mikrocomputer 22 ein Signal liefert.
Der Verstärker 38 weist ein vorspannendes Widerstandsnetzwerk auf, mit einem Widerstand 39 zwischen dem invertierenden Eingang (-) und dem Ausgang 17u des Verstärkers 38 und einem Widerstand 40 zwischen dem nicht invertierenden Eingang (+) des Verstärkers 38 und einem Bezugspotential (Masse) 41.
Der Verstärker 17 umfaßt auch einen mit Widerstand behafteten Verteiler 42, der zwischen den Ausgängen 30u und 31u liegt und zwei Reihenwiderstände 43, 44 umfaßt, wobei deren gemeinsame Anschlüsse mit dem invertierenden Eingang (-) eines invertierenden Verstärkers 45 kommunizieren, der einen mit dem Bezugspotential 41 verbundene, nicht invertierenden Eingang (+) aufweist.
Der Ausgang 45u des invertierenden Verstärkers 45 kommuniziert mit einer signalteilenden Schaltung 46, zum Zuführen des Signals an den Ausgang 45u der ersten elektrischen Leitung 13 und der zweiten elektrischen Leitung 14.
Insbesondere umfaßt die signalteilende Schaltung 46 einen mit Widerstand behafteten Spannungsteiler, der durch zwei Reihenwiderstände 47, 48 gebildet ist; wobei der Widerstand 47 einen mit der Leitung 13 verbundenen ersten Anschluß und einen mit einem ersten Anschluß des Widerstands 48 verbundenen zweiten Anschluß aufweist; wobei der Widerstand 48 einen mit der Leitung 14 verbundenen zweiten Anschluß aufweist; und wobei die gemeinsamen Anschlüsse der Widerstände 47, 48 über eine elektrische Leitung 49 mit dem Ausgang 45u kommunizieren.
Bei Benutzung (Fig. 4) legt der Benutzer des Instruments 1 den ersten und zweiten Bereich des Körpers an die jeweiligen Elektroden 7, 8 an. Insbesondere erfaßt der Benutzer das Außengehäuse 2 und legt den linken und rechten Daumen jeweils auf die Elektrode 7, 8, um den ersten und zweiten Körperbereich mit den jeweiligen Leitungen 13, 14 elektrisch zu verbinden.
Die elektrobiologischen Signale R und L (Fig. 2 und 3) werden somit den jeweiligen Verstärkern 31, 30 zugeführt, durch welche sie verstärkt und dem Verstärker 38 zugeführt werden, welcher wiederum ein Ausgangssignal erzeugt, das der Differenz zwischen den Signalen proportional ist und dem Mikrocomputer 22 zur Verarbeitung zugeführt wird.
Das dem Mikrocomputer 22 zugeführte Signal wird in bekannter Weise verarbeitet: Der Mikrocomputer 22 speichert und verarbeitet die Eingangssignale und versorgt die Anzeigeeinrichtung 5 mit Daten bezüglich einer Herzaktivität.
Alle periodischen Rauschsignale N(t) im Körper (insbesondere alternierende Signale aufgrund einer Leistungsspannung) werden durch die Verstärker 30 und 31 verstärkt und dem Teiler 42 (Fig. 3) zugeführt.
Der Halbierungspunkt des Teilers 42 zeigt daher ein Signal Vm(t), das gleich dem Mittelwert der durch die Verstärker 30 und 31 verstärkten Rauschsignale ist; wobei das Signal Vm(t) dem Verstärker 45 zugeführt wird, welcher ein Rückführungssignal R(t) gleich dem verstärkten, invertierten Signal Vm(t) erzeugt; und wobei das Rückführungssignal R(t) der signalteilenden Schaltung 46 zugeführt wird, durch welche dieses den Leitungen 13, 14 zugeführt und den Signalen an den Elektroden 7, 8 hinzugefügt wird. Das Rückführungssignal R(t) wird somit in einer Gegentakt- Weise dem Rauschsignal N(t) hinzugefügt, um das Rauschsignal selbst zu eliminieren (oder wenigstens zu dämpfen).
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der vorstehenden Beschreibung deutlich. Insbesondere erfordert das Instrument 1, welches ein hohes Maß an Rauschunterdrückung liefert, nur zwei Elektroden und ist klein genug, um in der Tasche getragen zu werden.
Das Instrument 1 wird einfach an den Körper angeschlossen, ohne daß Elektroden außerhalb des Instruments nötig wären.
Schließlich ist das Instrument 1 extrem schlicht in seiner Gestaltung und daher preiswert und einfach zu produzieren.
Sicher können Änderungen an dem Instrument, wie es hier beschrieben und dargestellt wurde, durchgeführt werden, ohne jedoch den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel können die Elektroden 7, 8 in einer beliebigen Weise gebildet sein und kann die Anzeigeeinrichtung 5 durch ausdruckende Aufzeichnungssysteme ersetzt oder mit diesen kombiniert sein.

Claims

1. Tascheninstrument (1) zum Erfassen eines elektrobiologischen Signals, insbesondere eines elektrokardiographischen Signals und mit:

- einem Erfassungsmittel (7, 8) zum Erfassen eines elektrobiologischen Signals;

- einem Verstärkungsmittel (17) zum Verstärken des biologischen Signals; und

- einem Verarbeitungsmittel (22) zum Verarbeiten des Ausgangssignals der Verstärkungsmittel (17);

wobei das Verstärkungsmittel (17) umfaßt:

- eine erste Verstärkungseinrichtung (30) mit wenigstens einem Eingang (17a), der mit einer ersten elektrischen Leitung (13) kommuniziert, die an das Erfassungsmittel (7, 8) angeschlossen und ein erstes elektrisches Signal (L) empfängt, das von einem ersten Bereich eines biologischen Körpers aufgenommen wurde; dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmittel (17) zusätzlich umfaßt:

- eine zweite Verstärkungseinrichtung (31) mit wenigstens einem Eingang (17b), der mit einer zweiten elektrischen Leitung (14) kommuniziert, die an das Erfassungsmittel (7, 8) angeschlossen ist und ein zweites elektrisches Signal (R) empfängt, das von einem zweiten Bereich eines biologischen Körpers aufgenommen wurde;

- eine invertierende Verstärkungseinrichtung (45), das ein Signal (Vm(t)) empfängt, das mit dem Signal von den Ausgängen (30u, 31u) der ersten Verstärkungseinrichtung (30) und der zweiten Verstärkungseinrichtung (31) korreliert ist; und

- eine signalteilende Einrichtung (46), die am Eingang mit einem Ausgang (45u) der invertierenden Verstärkungseinrichtung (45) kommuniziert;

wobei die signalteilende Einrichtung (46) das Rückführungssignal (R(t)) am Ausgang (45u) der invertierenden Verstärkungseinrichtung (45) der ersten (13) und zweiten (14) elektrischen Leitung zuführt;

wobei die signalteilende Einrichtung (46) eine spannungsteilende Einrichtung umfaßt, die wiederum wenigstens zwei bipolar teilende Elemente (47, 48) aufweist, welche in Reihe miteinander verbunden sind; wobei gegenüberliegende Endanschlüsse der bipolar teilenden Elemente (47, 48) direkt angeschlossen sind an die erste elektrische Leitung (13) und die zweite elektrische Leitung (14); und wobei ein gemeinsamer Anschluß der bipolar teilenden Elemente (47, 48) direkt angeschlossen ist an den Ausgang (45u) der invertierenden Verstärkungseinrichtung (45).

2. Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bipolar teilenden Elemente (47, 48) Widerstandselemente umfassen.

3. Instrument nach einem der vorstehenden Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß dieses eine differenzierende Verstärkungseinrichtung (38) umfaßt, die das Ausgangssignal der ersten und zweiten Verstärkungseinrichtung (30, 31) erhält und am Ausgang (17u) ein Signal erzeugt, welches der Verarbeitungseinrichtung (22) zugeführt wird.

4. Instrument nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieses eine Abstützeinrichtung (2) zum Abstützen der Verstärkungseinrichtung (17) und der Verarbeitungseinrichtung 22) umfaßt; und dadurch, daß die Erfassungseinrichtung (7, 8) eine erste und eine zweite Elektrode aufweist, die auf der Abstützeinrichtung (2) sitzt und jeweils mit der ersten elektrischen Leitung (13) und der zweiten elektrischen Leitung (14) kommuniziert.

5. Instrument nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (7, 8) im wesentlichen flach sind und jeweils flache, leitende Bereiche (7a, 8a) aufweisen, die in einer Wand (4) der Abstützeinrichtung (2) eingebaut sind.

6. Instrument nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß dieses eine Anzeigeeinrichtung (5) aufweist, die auf der Abstützeinrichtung (2) sitzt und wenigstens ein Ergebnis des durch die Verarbeitungseinrichtung (22) durchgeführten Verarbeitungsvorgangs anzeigt.

7. Instrument nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung (22) einen Mikrocomputer (22) zum Speichern und Verarbeiten des Ausgangssignals der Verstärkungseinrichtung (17) und zum Versorgen der Anzeigeeinrichtung (5) mit Daten bezüglich einer Herzaktivität und eine Steuereinrichtung (24, die mit dem Mikrocomputer (22) kooperiert, zum Steuern der Anzeigeeinrichtung (5) umfaßt.