DE69727415T2

DE69727415T2 - Vorrichtung zur Überwachung von Messelektroden zum Erfassen von physiologischen Signalen

Info

Publication number: DE69727415T2
Application number: DE69727415T
Authority: DE
Inventors: Peter Danielsson; Thomas Ohlsson
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-04-12
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 2004-12-30
Anticipated expiration: 2017-03-11
Also published as: JPH1028680A; JP3980702B2; EP0800787B1; DE69727415D1; SE9601387D0; US5792063A; EP0800787A1; US5921939A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Überwachen einer oder mehrerer Messelektroden und einer Neutralelektrode, die zum Aufzeichnen physiologischer Messsignale an einem Patienten angebracht sind, und ihre Zuleitungen, während die Messsignale erfasst werden, wobei jede Messelektrode mit einer Eingangsbuchse eines zugeordneten Messverstärkers verbunden ist.
In „ECG Electrodes: A Study of Electrical and Mechanical Long-Term Properties", Acta anaesth. Scand. 1979, 23, S. 189–206, P. Ask et al., wird die Messung von Elektrodenimpedanzen beschrieben, um die Qualität von EKG-Elektroden und ihrer Haftung an Haut zu prüfen. Sinusströme verschiedener Frequenzen werden an ein Paar EKG-Elektroden, die in Reihe geschaltet sind, und einen Referenzwiderstand angelegt. Einzelne Elektrodenimpedanzen werden anhand der Amplituden und Phasen der sich ergebenden angelegten Spannung und der am Widerstand gemessenen Spannung bestimmt.
US-A-4,658,831, US-A-4,917,099 und US-A-4,993,423 beschreiben Verfahren zum Erfassen von Ablösung der Zuleitung, wobei Wechselstrom mit einer oder mehreren Frequenzen an die Messelektroden angelegt wird und die sich ergebenden Spannungen gemessen werden. US-A-4,919,145 und US-A-5,020,541 beschreiben weiterhin das Überwachen der Impedanz von EKG-Elektroden und ihrer Zuleitungen unter Einsatz von zwei phasenverschobenen Trägerwellensignalen. Durch diese Verfahren erhält man keinen Absolutwert für die einzelnen Elektrodenimpedanzen. Es wird stattdessen ein Wert erhalten, der (Summe oder Differenz) von den Impedanzen mehrerer EKG-Elektroden abhängt, und die Impedanz der Neutralelektrode wird nicht gemessen. Es ist zudem unmöglich zu erfassen, wann eine spezifische EKG-Elektrode sich beim Ablösen befindet. Die Verwendung von Strom mit mehreren Frequenzen führt zudem zu einer zusätzlichen Messschwierigkeit, da die Elektrodenimpedanz mit der Frequenz variiert.
Auch die Verwendung von Gleichstrom für die Erfassung einer Ablösung der Zuleitung zum Beispiel bei der Elektrokardiographie ist bereits bekannt. Die Kontaktimpedanz nimmt zu, wenn eine Messelektrode sich vom Patienten zu lösen beginnt. Hierbei kann eine Zunahme des Gleichstrompotentials an der Elektrodenimpedanz durch einen entsprechend angeordneten Widerstand erreicht werden. Wenn das Potential einen gegebenen Wert übersteigt, wird die Elektrode als nicht mehr angeschossen betrachtet, d. h. Ablösung der Zuleitung. Die Verwendung von Gleichstrom für diese Erfassung ist jedoch mit Mängeln verbunden, da die Elektrodenimpedanz nicht rein ohmscher Art ist. Es liegt ein gewisser Grad an Polarisierung vor, der für verschiedene Arten von Elektroden verschieden ist. Das durch die Polarisierung verursachte Potential kann nicht von dem Potential unterschieden werden, das durch den Erfassungsstrom durch die Elektrode hervorgerufen wird, so dass die Impedanz, die erforderlich ist, um die Erfassung einer beliebigen abgelösten Elektrode zu ermöglichen, mit verschiedenen Arten von Elektroden stark variiert.
Ein weiterer Mangel besteht in dem Umstand, dass die Impedanz sich immer verändert, wenn sich der Patient bewegt, wobei die Spannung an der Elektrode entsprechend den Bewegungen moduliert wird, was Rauschen von etwa 1 Hz verursacht. Die Basislinienschwankungen können nur schwer aus dem EKG herausgefiltert werden, ohne dass EKG-Signal zu beeinflussen. Um Basislinienschwankungen zu vermeiden, werden soweit möglich unpolarisierte Elektroden verwendet, d. h. Elektroden mit einem sehr begrenzten, durch die Polarisierung verursachten Gleichstromoffset. Der Mangel besteht hier in der Notwendigkeit, dass ein Gleichstrompotential lediglich zu dem Zweck hinzugefügt werden muss, um zu erfassen, ob die Elektrode angeschlossen ist oder nicht.
Die zuverlässige Überwachung von am Patienten angebrachten Messelektroden ist wichtig, weshalb eine Warnung ausgegeben wird, bevor die Elektrode abfällt. Die Elektrodenimpedanz nimmt zu, wenn die Elektrodenpaste auszutrocknen beginnt oder die Elektrode sich zu lösen beginnt, wodurch die Messung durch größeres Rauschen verzerrt wird. Das Messsignal kann auch gedämpft werden, wenn Elektrodenimpedanzen sehr hoch sind, was möglicherweise eine fehlerhafte Diagnose verursacht. Es existieren somit beispielsweise Anweisungen, um einen korrekten Absolutwert beispielsweise für EKG-Signale sicherzustellen. Ungenauigkeiten bei Elektrodenzuleitungen können ähnliche Fehler hervorrufen.
DE-A1-41 06 857 beschreibt eine Einrichtung zum Verarbeiten physiologischer Messsignale, wobei der Patientenkörper einen Impuls über eine zusätzliche Elektrode erhält, die über die Impedanz des Körpers elektrisch mit am Patienten angebrachten Messelektroden verbunden ist. Der Kontakt der Messelektroden mit dem Körper des Patienten kann überwacht werden, indem die Reaktion der Messelektroden auf den Impuls untersucht wird. Diese Prüfung der Messelektroden und ihrer Zuleitungen erfolgt jedoch nur, wenn sie vom Bediener aktiviert ist, d. h., wenn er einen Knopf drückt. Zur kontinuierlichen Überwachung der Elektroden muss diese Funktion durch ein weiteres Verfahren ergänzt werden, zum Beispiel die oben erwähnte Gleichstromüberwachung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zu erzielen, die es ermöglicht, die Überwachung von Messelektroden und einer Neutralelektrode, die an einem Patienten angebracht sind, plus zugeordneter Zuleitungen gleichzeitig mit der Aufzeich nung von physiologischen Messsignalen zu überwachen, wodurch die oben erwähnten Mängel des Stands der Technik eliminiert werden.
Diese Aufgabe wird mit einer Einrichtung der anfangs beschriebenen Art mit den im Patentanspruch 1 dargelegten Merkmalen erzielt.
Eine Einrichtung gemäß der Erfindung nutzt somit die am Patienten angebrachte Referenz- oder Neutralelektrode zur Zufuhr eines kontinuierlichen reinen Wechselstromsignals ohne jegliche Gleichstromkomponente. Dies gestattet die kontinuierliche Überwachung der Messelektroden und ihres Kontakts mit dem Patienten während der Aufzeichnung, und das Problem mit der Gleichstromaufladung der Elektroden wird vermieden. Die reduzierte Elektrodenaufladung ermöglicht zusätzlich dazu, dass sie Basisliniendriftprobleme reduziert, den Einsatz preiswerterer Elektroden ohne Gleichstromoffset, der eine Übermodulation des Verstärkers verursacht. Mit der Einrichtung gemäß der Erfindung wird die Messung der Elektrodenimpedanz auch ohne jegliche Reduzierung der Eingangsimpedanz in den folgenden Messverstärker durchgeführt. Dies ist wichtig, weil sich durch eine reduzierte Eingangsimpedanz das EKG-Signal verschlechtern würde.
Beim normalen fehlerfreien Betrieb verursacht das Testsignal, dass Signale gleicher Größe an allen Verstärkereingangsanschlüssen erscheinen, und diese Signale verschwinden, wenn sie in abgeleiteter Form voneinander subtrahiert werden. Wenn jedoch eine Elektrode schlecht befestigt ist, wird ihre Elektrodenimpedanz hoch sein und das durch das Testsignal am relevanten Messverstärkereingangsanschluss erzeugte Signal wird dann aufgrund der Spannungsteilung zwischen der Elektrodenimpedanz und der Verstärkereingangsimpedanz kleiner sein und ein Restsignal vom Testsignal wird nach der Differnzbe stimmung gemäß dem oben gesagten zurückbleiben, aus dem man erkennen kann, dass eine Elektrode schlecht befestigt ist.
Der Fachmann erkennt, dass Schaltmittel mit dem Ausgangsanschluss eines Testsignalgenerators verbunden sein können, um das Testsignal wahlweise zwischen der Neutralelektrode und einem der Eingangsanschlüsse der Messverstärker umzuschalten. Mit der Einrichtung können deshalb sogar die Messverstärker kalibriert werden. Diese Kalibrierung erfolgt zu einem geeigneten Zeitpunkt, zum Beispiel in Verbindung mit dem Hochfahren der Einrichtung. Somit wird das Testsignal mit den Schaltmitteln auf die Eingangsanschlüsse der Messverstärker geschaltet, ohne dass es zuerst den Patienten durchläuft. Die Amplitude wird für die verschiedenen Kanäle gemessen und die Verstärkung wird eingestellt, so dass alle Kanäle die gleiche Amplitude aufweisen. Die absolute Genauigkeit wird durch die Genauigkeit des Testsignals begrenzt, wohingegen eine relative Genauigkeit größer sein kann. Hierbei ist auch das Messen des ganzen Frequenzbereichs und seine Kalibrierung möglich. Das Kalibrieren der Verstärker ist zur Gleichtaktunterdrückung wichtig, und die Beziehung zwischen ihnen ist für das Entfernen von Rauschen, insbesondere das Brummen von Wechselstromleitungen, wichtig. Das Kalibrieren der Verstärker ist auch deshalb wichtig, damit man für das EKG-Signal eine korrekte Größe erhält, da der gemessene Absolutwert wichtig ist.
Es ist weiterhin zu verstehen, dass es nützlich ist, wenn die Frequenz des Testsignalgenerators über dem für das EKG-Signal relevanten Frequenzbereich liegt, bevorzugt über 250 Hz. Die Einrichtung gemäß der Erfindung arbeitet vorteilhafterweise digital mit einer Abtastrate von zum Beispiel 1 kHz. Für die tatsächliche Messung wird eine schnellere Abtastrate verwendet, und nach der Bildung der Ableitung erfolgt eine Unterabtastung. Dies führt normalerweise dazu, dass das Testsignal verschwindet. Es sei außerdem angemerkt, dass die Elektrodenimpedanz mit der Frequenz zusammenhängt, mit einer niedrigeren Impedanz bei einer höheren Frequenz.
Um die Erfindung zu erläutern, werden nun veranschaulichende Ausführungsformen der Einrichtung gemäß der Erfindung eingehender beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird. Es zeigen:
1 und 2 zwei verschiedene Ausführungsformen der Einrichtung gemäß der Erfindung;
3 die Berechnung der Übertragungsfunktion in einer Schaltungsschleife in der in 2 gezeigten Ausführungsform;
4 die Schleife in 3 mit Eingangsimpedanzen und
5 und 6 zusätzliche Ausführungsformen der Einrichtung gemäß der Erfindung.
1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Einrichtung gemäß der Erfindung zum kontinuierlichen Überwachen von an einem Patienten 2 angebrachten Messelektroden zum Aufzeichnen physiologischer Messsigale, d. h. R (rechter Arm), L (linker Arm), F (Fuß), und ihrer Zuleitungen. Jede Messelektrode R, L, F ist mit einem der Eingangsanschlüsse an ihrem zugeordneten Messverstärker 4, 6 bzw. 8 verbunden. Die anderen Eingangsanschlüsse der anderen Messverstärker 4, 6, 8 sind mit einem gemeinsamen Referenzpotential verbunden. Die zu messenden physiologischen Signale sind zum Beispiel EKG-Signale.
Ein Testsignalgenerator 10 sendet ein Testsignal in Form eines kontinuierlichen reinen Wechselstromsignals ohne jegliche Gleichstromkomponente über einen Rauschunterdrückungsverstärker 12 und Schaltmittel in Form eines Multiplexers 14 zur Neutralelektrode N. Der Rauschunterdrückungsverstärker 12 ist über eine Einheit 9 mit dem Ausgangsanschluss oder mit den Ausgangsanschlüssen von einem oder mehreren der Messverstärker 4, 6, 8 verbunden.
Die Kontaktimpedanzen der Elektroden R, L, F, N und die Impedanz der zugeordneten Zuleitungen sind in 1 durch die Impedanzen Z_el und die Eingangsimpedanzen durch Z_in dargestellt.
In 1 stellen C1, C2, C3 und C4 weitere EKG-Elektroden zur Anbringung beispielsweise am Brustkorb dar.
Da alle am Körper des Patienten angebrachten Elektroden durch die Impedanz des Körpers elektrisch miteinander verbunden sind, führt das über die Neutralelektrode N angelegte Signal zu einem Antwortsignal in jedem der Messkanäle R, L und F, wobei die Signale zur gleichen Zeit wie die EKG-Aufzeichnung kontinuierlich gemessen werden.
Die Aufgabe der Neutralelektrode N ist sicherzustellen, dass die erdfreie Masse des Messverstärkers das gleiche Potential wie der Patient 2 aufweist. Das Potential des Patienten, das aus Sicherheitsgründen erdfrei sein muss, wird durch Streukapazitäten gegenüber der Umgebung bestimmt, insbesondere Masse und in der Nähe befindliche Stromleitungen. Auch das ganze erdfreie Verstärkersystem weist Streukapazitäten gegenüber Masse und Netzspannung auf. Die Beziehung zwischen diesen Kapazitäten ist normalerweise für den Patienten und die Verstärker nicht gleich, so dass zwischen dem Patienten und den Verstärkern eine Potentialdifferenz vorliegt. Durch die Neutralelektrode wird diese Differenz eliminiert. Durch die Neutralelektrode wird dann ein Brummstrom geschickt, und wegen der Impedanz der Neutralelektrode entsteht dann ein Spannungsabfall. Falls die Neutralelektrode direkt mit der erdfreien Masse verbun den ist, wird dieser Spannungsabfall als eine Spannung zwischen dem Patienten und der Masse der Verstärker erfaßt. Bei dem Bemühen, diese Spannung zu reduzieren, wird das Signal von einer Messelektrode über einen Rauschunterdrückungsverstärker über die Neutralelektrode zum Patienten zurückgeführt. Siehe die Figuren. Der Spannungsgradient zwischen dem Patienten und der Verstärkermasse fällt dann um die Verstärkung im Rückkoppelkreis ab. Der Rauschunterdrückungsverstärker, der Teil dieses Rückkoppelkreises ist, wird in der Einrichtung gemäß der Erfindung als der Testsignalverstärker 12 verwendet, um das Testsignal, mit dem Elektrodenimpedanzen gemessen werden, an den Patienten 2 anzulegen.
Da Impedanzen im Körper üblicherweise in der Größenordnung von 100 Ω liegen, wohingegen die Elektrodenimpedanz üblicherweise in der Größenordnung von 10– 100 kΩ liegt, ist die Impedanz im Körper somit im Vergleich zur Elektrodenimpedanz vernachlässigbar, und die Antwortsignale des Testsignals sind dementsprechend an allen Verstärkereingangsanschlüssen gleich. Wenn zwischen zwei Elektroden Ableitungen gebildet werden, wird das Antwortsignal des Testsignals deshalb durch subtraktive Entfernung eliminiert.
Wenn eine Elektrode jedoch schlecht befestigt ist, ist die Elektrodenimpedanz viel höher, zum Beispiel auf MΩ-Niveaus, und zwischen der Elektrodenimpedanz Z_el und der Verstärkereingangsimpedanz Z_in im in Frage kommenden Kanal liegt eine Spannungsteilung vor. Das Antwortsignal des Testsignals ist dann (wie das EKG-Signal) kleiner, wobei ein Rest des Antwortsignals des Testsignals nach der Zuleitungsausbildung zwischen zwei Elektroden mit verschiedenen Impedanzen zurückbleibt, weil zum Beispiel eine Elektrode sich gelöst hat oder dabei ist, sich zu lösen.
Unter bestimmten Umständen ist es bevorzugt, die Amplitude des Antwortsignals des Testsignals bei den Ausgangsanschlüssen der Messverstärker 4, 6, 8 vor der Ausbildung der Ableitung zu messen.
Wenn bei den Elektrodenimpedanzen wegen eines fehlerhaften Elektrodenkontakts oder fehlerhafter Elektrodenleitungen ein Ungleichgewicht entsteht, kann das restliche Antwortsignal des Testsignals beibehalten werden, wenn es ausreichend klein ist, oder es kann durch Subtraktion oder Filtrierung eliminiert werden. Das Restsignal kann durch Subtraktion mit einem durch den Testsignalgenerator erzeugten entsprechenden Subtraktionssignal entfernt werden.
Die Ausgangssignale der Ausgangsanschlüsse der Messverstärker 4, 6, 8 werden zur darauffolgenden digitalen Signalverarbeitung (hier nicht beschrieben) entsprechend an einen A/D-Umsetzer geschickt. Das restliche Antwortsignal, das bestehen bleibt, wenn bei den Elektrodenimpedanzen Z_el ein Ungleichgewicht vorliegt, verschwindet hier, falls die Frequenz entsprechend ist. Falls das Testsignal eine Frequenz von zum Beispiel 1 kHz aufweist, verschwindet es bei der Unterabtastung auf 1 k sps. Die ursprüngliche Abtastrate muss schneller gewesen sein, damit das Testsignal in digitaler Form gemessen werden konnte.
Die Fähigkeit, das Antwortsignal des Testsignals aus den Messsignalen zu entfernen, ist eine Voraussetzung für die Durchführung kontinuierlicher Testmessungen.
Der mit der Einrichtung gemäß der Erfindung durchgeführte Test ist eine relativ grober Test, der eine Warnung liefert, wenn die Kontaktpaste oder der Elektrodenklebstoff ausgetrocknet ist und sich die Elektrode gelöst hat oder dabei ist, sich zu lösen, bevor die Elektrode abfällt oder wenn in Zuleitungen ein Fehler entstanden ist. Mit der Einrichtung gemäß der Erfindung werden somit Fehlerdiagnosen vermieden, die durch eine Dämpfung des EKG-Signals durch eine hohe Impedanz in der Elektrode hervorgerufen werden. Für die Erfassung für eine Ablösung einer Zuleitung ist kein Gleichstrom oder irgendein spezieller Testimpuls erforderlich. Dadurch wird das Aufladen der Elektroden bei geringerer Basislinienschwankung reduziert. Das reduzierte Aufladen der Elektroden ermöglicht auch, preiswertere Elektroden ohne die durch den Gleichstromoffset verursachte Verstärkerübermodulation zu verwenden. Somit wird eine schmalere Verstärkerdynamik benötigt als bei der Verwendung von Gleichstrom. Die für die Elektrodenüberwachung erforderliche Impedanzmessung wird mit der Einrichtung gemäß der Erfindung ohne jeglichen Abfall der Eingangsimpedanz zu den Messverstärkern vorgenommen, wodurch sich das EKG-Signal verschlechtern würde.
Die Einrichtung gemäß der Erfindung kann auch dazu verwendet werden, die Messverstärker 4, 6, 8 einschließlich des folgenden nicht gezeigten A/D-Umsetzers zu kalibrieren. Das Testsignal wird durch die Achaltmittel 14 in Form einer Reihe von Schaltern direkt zu einem der Eingangsanschlüsse der Verstärker 4, 6, 8 geschaltet, ohne durch den Patienten 2 zu laufen. Die Amplitude des Testsignals wird in den verschiedenen Messkanälen gemessen, und die Verstärkung wird so kalibriert, dass sie in allen Kanälen gleich groß ist. Die absolute Genauigkeit der Kalibrierung wird durch die Genauigkeit des Testsignals bestimmt, doch kann die relative Genauigkeit größer sein.
Mit der Einrichtung gemäß der Erfindung kann auch der ganze Frequenzbereich gemessen und kalibriert werden.
Die richtige Kalibrierung der Verstärker 4, 6, 8 ist für die Gleichtaktunterdrückung wichtig, und die Beziehung zwischen den Verstärkern 4, 6, 8 ist beim Elimi nieren von Rauschen wichtig, wobei das größte Rauschen allgemein das Brummen von Wechselstromleitungen ist.
2 zeigt einen Schaltplan einer alternativen Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung, bei der den entsprechenden Komponenten und Einheiten die gleiche Bezeichnung wie in 1 zugewiesen wurde. Zudem ist die relative Größe der Signale an verschiedenen Punkten im Plan angegeben, und zwar bei bestimmten Beispielen als ausgewählte Verstärkerverstärkungen der Verstärker.
Bei der Ausführungsform gemäß 2 ist der Testsignalgenerator 10 zwischen das Referenzpotential und das Testsignal – oder einen der Eingangsanschlüsse des Rauschunterdrückungsverstärkers 3 – geschaltet, wohingegen der andere Eingangsanschluss des Rauschunterdrückungsverstärkers 12 durch einen Teiler 16 an den Ausgangsanschluss des Messverstärkers 8 im F-Kanal angeschlossen ist. Es existiert außerdem ein Ausgangsanschluss 18 und ein Signalverstärker 20 zum Messen des Signals am Ausgangsanschluss des Rauschunterdrückungsverstärkers 12.
Der Rauschunterdrückungsverstärker 12 empfängt ein Gleichtaktsignal, woraufhin das Signal vom Testsignalgenerator 10 direkt durch den Verstärker läuft, was am Verstärkerausgangsanschluss durch die Zahl „1" dargestellt ist. In diesem Fall wird angenommen, dass die Elektroden für die Kanäle R und F korrekt angebracht sind, so dass das Testsignal an den Eingangsanschlüssen der Messverstärker 4 und 8 so gut wie unverändert erscheint, was dort durch die Zahl „1" dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsform weisen die Verstärker 4, 6, 8 eine Verstärkung gleich 4 auf, so dass die Größe des Testsignals am Ausgangsanschluss des Messverstärkers 8 „4" beträgt. Dieses Signal wird zum Rauschunterdrückungsverstärker 12 zurückgeschickt, und zwar über den Teiler 16, der das Signal im gleichen Ausmaß aufteilt, wie es in dem Messverstärker 8 verstärkt wird, so dass das Testsignal seine ursprüngliche Größe wiedererhält und danach arbeitet der Rauschunterdrückungsverstärker 12 im Gleichtakt. So beeinflusst der Verstärker 8 bei normalen Fällen nicht das Testsignal.
Der Ausgangsanschluss am Messverstärker 4 empfängt dementsprechend ein Signal mit der Größe „4".
Bei dem dargestellten Beispiel wird weiter angenommen, dass der Kontakt für den Kanal L sich gelöst hat oder dabei ist, sich zu lösen, so dass die Elektrodenimpedanz Z_el für diesen Kanal zunimmt. Dadurch verursacht das Testsignal eine Dämpfung des Kanals L. Bei diesem Beispiel wurde das Signal gedämpft, so dass seine Stärke am Eingangsanschluss am Messverstärker 6 „0,9" beträgt. Dementsprechend beträgt das Ausgangssignal des Messverstärkers 6 „3,6".
Jeder der Messverstärker 4, 6, 8 wird von einem zusätzlichen Verstärker 22, 24, 26 begleitet, der die Verstärkung 32 erzeugt. Signale mit den relativen Größen „128", „115,2" und „128" werden dementsprechend an den Ausgangsanschlüssen dieser Verstärker 22, 24, 26 geliefert. Die Größe dieser Signale bezeichnet einen Fehler im Kanal L. Ob der Fehler durch einen schlechten Kontakt für die Elektrode L oder die (Neutral)-Elektrode N verursacht wird, ist jedoch unmöglich, da diese beiden Elektroden Teil der Schleife sind, die vom fraglichen Signal durchlaufen wird.
3 zeigt die durch den Kanal F und den Kanal M gebildete Schleife für die Berechnung der Übertragungsfunktion für das Testsignal in der Ausführungsform in 2.
Das Testsignal von dem Testsignalgenerator 10 ist mit U bezeichnet, der Rauschunterdrückungsverstärker 12 weist die Verstärkung G_N auf und das Signal am Ausgangsanschluss des Rauschunterdrückungsverstärkers 12 ist mit x bezeichnet. Die Verstärkung des Messverstärkers 8 ist mit G_A bezeichnet. Die Figur enthält außerdem einige Widerstände, die der Einfachheit halber in der 2 weggelassen wurden.
Bei den oben erwähnten Bezeichnungen gilt folgendes: X = U – GN (x·GA – U)
Aus dieser Beziehung erhält man:
Dies bedeutet, dass x = U, falls die Verstärkung des Messverstärkers 8 G_A = 1.
Somit dient der Teiler 16, der das Signal im gleichen Ausmaß wie der Messverstärker 8 aufteilt, als Dämpfungsglied, damit die Verstärkung gleich 1 wird. Bei normalen fehlerfreien Fällen gibt es dementsprechend keine Auswirkung auf das Testsignal, wenn es den Rauschunterdrückungsverstärker durchläuft.
4 zeigt die gleiche Schleife mit den Elektrodenimpedanzen Z_elF und Z_elN, die die Dämpfungen D_F bzw. D_N verursachten.
Falls diese Dämpfungen D_F und D_N in obige Gleichungen eingesetzt werden, erhält man:
Eine vergrößerte Dämpfung verursacht somit eine Redu zierung des Verhältnisses x/U.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung, bei der der Testsignalgenerator 10 geerdet ist, wohingegen die Verstärkung erdfrei ist. Die gleichen Bezeichnungen wurden auch hier für die gleichen Komponenten und Einheiten wie in zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwendet.
In diesem Fall wird angenommen, dass im Kanal L auf die gleiche Weise wie in der Ausführungsform gemäß 2 ein Elektrodenfehler vorliegt. Bei der Ausführungsform gemäß 5 weist das Testsignal normalerweise an beiden Eingangskanälen an allen Messverstärkern 4, 6, 8 die gleiche Größe auf. Dann ist das ganze Signal im Gleichtakt, so dass es nicht verstärkt ist, d. h., die Gleichtaktverstärkung der Verstärker ist gleich 1. Infolge des Fehlers im Kanal L kommt es zwischen den Eingangsanschlüssen des Messverstärkers 6 zu einer Differenz. Diese Differenz beträgt „0,1", wobei die „normale" Signalstärke auf die gleiche Weise wie in 2 „1" beträgt. Diese Differenz von „0,1" wird im Messverstärker 6 verstärkt, dessen Verstärkung als gleich „4" angenommen wird, wie dies der Fall in 2 war. Das Ausgangssignal des Verstärkers 6 beträgt deshalb 1 –
Auch die folgenden Verstärker 22 und 26 in den fehlerfreien Kanälen R und F empfangen ein Gleichtaktsignal, das nicht verstärkt ist, wohingegen die nachfolgende Differenz zwischen den Eingangsanschlüssen des Verstärkers 24 (gleich 0,4) in diesem Verstärker durch die angenommene Verstärkung 32 auf „–12,8" verstärkt wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 24 ist negativ, da das Signal am positiven Eingangsanschluss des Verstärkers kleiner ist als das dem negativen Eingangskanal zugeführte normale Signal.
Die Größen der Ausgangssignale werden, was offensichtlich ist, zu den Signalen in der Ausführungsform gemäß 2 zur gleichen Zeit klein, wie der Fehler im Kanal L zu einem stark abweichenden Signal führt. Da die Ausgangssignale relativ klein sind, kann für das Testsignal eine große Amplitude verwendet werden, was die Messung von vergleichsweise kleinen Impedanzen ermöglicht. Dadurch wird eine relativ empfindliche Fehlererfassung erzielt.
Wie oben angemerkt wird, ist es wesentlich, dass das an den Patienten angelegte Testsignal sich auf das gleiche Potential bezieht wie die Eingangsimpedanzen Z_in der Messverstärker für das durch die Eingangsimpedanz Z_in zu dämpfende Testsignal. Dies bedeutet, dass der Testsignalgenerator ein Testsignal an der Elektrodenimpedanz Z_el und der Eingangsimpedanz Z_in erzeugen muss.
6 zeigt eine Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung, die es ermöglicht, den Fehler mit noch größerer Genauigkeit zu finden und sogar die Impedanz der einzelnen Elektroden zu messen. Hierbei kann das Messsignal auf zwei verschiedene Weisen angelegt werden, und die Messung wird zweimal vorgenommen. Die beiden Messungen können entweder zu zwei verschiedenen Zeitpunkten oder gleichzeitig bei zwei verschiedenen Frequenzen vorgenommen werden. Die Messverstärker sind in zwei Gruppen unterteilt. Die erste Gruppe von Messverstärkern 4, 6 ist an die Gliedmaßenelektroden R, L angeschlossen, und zugeordnete Messsignale werden wie oben beschrieben zu dem Rauschunterdrückungsverstärker 12 zurückgeführt.
Die an die Brustkorbelektroden C1 ... C6 angeschlossene zweite Gruppe von Messverstärkern 31 ... 36 führen das Signal nicht zurück. Alle Verstärkereingangsanschlüsse weisen eine Eingangsimpedanz Z_in auf, die an ein Potential gekoppelt ist, das sich die Gruppe teilt, d. h. für die erste Gruppe mit UFE und für die zweite Gruppe mit U_FC bezeichnet.
Bei der ersten Messung wird der Ausgang des Testsignalgenerators 10 mit dem Schalter zum Punkt UFC geschaltet, wohingegen Punkt UFE und der positive Eingangsanschluss des Rauschunterdrückungsverstärkers 12 mit den Schaltern 39 und 40 zur Nullreferenz 0_ref des Testgenerators 10 geschaltet werden. Messströme zum Patienten 2 über die Messelektroden erhält man anhand der folgenden Gleichungen (1) und (2)
wobei I_cx und I_R den Strom zur Messelektrode cx mit der Elektrodenimpedanz Z_cx in 6 und den Strom zur Messelektrode R mit der Elektrodenimpedanz bezeichnen, wobei die Elektrodenimpedanzen Z_R, V_cx und V_R das Potential der entsprechenden Zuleitungen und Z_in die Eingangsimpedanz des zugeordneten Messverstärkers bezeichnen.
Wenn U_FE = 0 und U_FC auf 1 und Z_in auf 10 MOhm (10 M) gesetzt sind, erhält man
Die Summe dieser Ströme I_N IN = ΣIcx + IR + IL + IF (3)findet sich an der Neutralelektrode N.
Falls eine Approximierung vorgenommen wird, in der das Potential V_body des Patienten nicht von den Elektrodenimpedanzen in der ersten Gruppe bestimmt wird, kann das Potential V_body des Patienten aus der folgenden Gleichung (4) erhalten werden:
wobei V_N das Potential der Zuleitung zur Neutralelektrode N bezeichnet.
Für G_N = –10 erhält man
Aus diesem Wert für V_body erhält man die Impedanzen Z_cx der Brustkorbelektroden C1 ... C6 aus der folgenden Gleichung (5) und die Impedanz Z_N der Neutralelektrode N aus der Gleichung (6).
Bei der Messung Nummer 2 wird der Punkt U_FC mit den Schaltern 38 und 41 mit der Nullreferenz 0_ref verbunden. Der positive Eingangsanschluß des Rauschunterdrückungsverstärkers 12 bleibt über den Schalter 40 mit der Nullreferenz 0_ref des Testsignalgenerators 10 verbunden. In diesem Fall werden die Messströme durch die folgenden Gleichungen (7) und (8) geliefert.
Wenn UFC = 0 und UFE und Z_in auf 1 bzw. 10 MOhm gesetzt sind, erhält man:
Selbst in diesem Fall ist der Strom I_N an der Neutralelektrode N gleich der Summe der Ströme der anderen Elektroden entsprechend der folgenden Gleichung (9). IN = ΣIcx + IR + IL + IF (9)
Das Potential V_body des Patienten 2 kann nun mit Hilfe des Stroms I_N und der Impedanz Z_N der Neutralelektrode N, berechnet gemäß Messung Nummer 1 (siehe Gleichung (6)), berechnet werden, sowie des am Ausgangsanschluß des Rauschunterdrückungsverstärkers 10 gemessenen Potentials V_N berechnet werden: Vbody = VN + IN·ZN (10)
Schließlich kann die Impedanz Z_R der Gliedmaßenelektrode R mit der folgenden Gleichung (11) berechnet werden:
Die Impedanzen Z_L usw. in den anderen Gliedmaßenelektroden L usw. werden auf analoge Weise berechnet.
Die Genauigkeit der Berechnungen von Elektrodenimpedanzen wird in erster Linie durch die in der ersten Messung vorgenommene Approximierung bestimmt.
Der Schalter 43 in 6 muss geschlossen sein, wenn die Verstärker kalibriert werden. Siehe Beschreibung von 1 oben.

Claims

Einrichtung zum Überwachen einer oder mehrerer Messelektroden (R, L, F, C1 .. C6) und einer Neutralelektrode (N), die an einem Patienten (2) angebracht sind, zum Aufzeichnen physiologischer Messsignale und ihrer Zuleitungen, während die Messsignale erfaßt werden, wobei jede Messelektrode (R, L, F, C1 .. C6) mit einem Eingangsanschluß eines zugeordneten Messverstärkers (4, 6, 8, 31 .. 36) verbunden ist und einen Testsignalgenerator (10) umfaßt, der so ausgelegt ist, dass er ein reines Wechselstromsignal erzeugt ohne jegliche Gleichstromkomponente zur Erfassung durch die Messelektroden (R, L, F, C1 .. C6); und einen Rauschunterdrückungsverstärker (12) mit einem mit der Neutralelektrode (N) verbundenen Ausgang, dadurch gekennzeichnet, dass der Rauschunterdrückungsverstärker (12) einen ersten Eingangsanschluß umfaßt, mit dem der Testsignalgenerator (10) betätigbar verbunden werden kann, um das Wechselstromsignal an die Neutralelektrode (N) anzulegen, und einen zweiten Eingangsanschluß, der mit einem Ausgangsanschluß einer der Messverstärker (4; 6; 8) oder über ein Netz (9) mit mehreren Messverstärkern (4, 6, 8) verbunden ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (10) auch an einen Ausgangsanschluß eines der Messverstärker (8) angeschlossen ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messverstärker (4, 6, 31 .. 36) in zwei Gruppen angeordnet sind, die jeweils aus mindestens einem Verstärker (4, 6 bzw. 31 .. 36) bestehen, wobei die Ausgangsanschlüsse nur der ersten Gruppe von Messverstärkern (4, 6) mit dem Rauschunterdrückungsverstärker (12) verbunden sind, und dass der Test signalgenerator (10) so ausgelegt ist, dass er ein erstes Wechselstromsignal durch die Eingangsimpedanz (Z_in) und zugeordnete Elektrodenimpedanz (Z_cl) jedes der Verstärker in der zweiten Gruppe von Messverstärkern (31 ... 36) und ein zweites Wechselstromsignal durch die Eingangsimpedanz (Z_in) und die zugeordnete Elektrodenimpedanz (Z_R) jedes der Verstärker in der ersten Gruppe von Messverstärkern (4, 6) erzeugt, um eine Messung der durch die beiden Wechselstromsignale erzeugten Spannungen zu ermöglichen.
Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Testsignalgenerator (10) ein erstes Testsignalerzeugungsmittel zum Erzeugen des ersten Wechselstromsignals mit einer ersten Frequenz und ein zweites Testsignalerzeugungsmittel zum Erzeugen des zweiten Wechselstromsignals mit einer zweiten Frequenz umfasst, wobei beide Mittel jeweils einen ersten Pol und einen zweiten Pol aufweisen, wobei der erste Pol des ersten Testsignalerzeugungsmittels mit dem positiven Eingangsanschluss des Rauschunterdrückungsverstärkers (12) und über individuelle Impedanzen (Z_in) mit den Eingangsanschlüssen der Messverstärker (4, 6) in der ersten Gruppe verbunden ist, während der zweite Pol des ersten Testsignalerzeugungsmittels über individuelle Impedanzen (Z_in) mit den Eingangsanschlüssen von Messverstärkern (31 .. 36) in der zweiten Gruppe verbunden ist und wobei der erste Pol des zweiten Testsignalerzeugungsmittels mit dem positiven Eingangsanschluss des Rauschunterdrückungsverstärkers (12) und über individuelle Impedanzen (Z_in) mit den Eingangsanschlüssen von Messverstärkern (31 .. 36) in der zweiten Gruppe verbunden ist und der zweite Pol des zweiten Testsignalerzeugungsmittels über individuelle Impedanzen (Z_in) mit Eingangsanschlüssen von Messverstärkern (4, 6) in der ersten Gruppe verbunden ist.