NL1024860C2

NL1024860C2 - Een systeem en werkwijze voor het registeren van elektrische signalen die in een levend lichaam optreden.

Info

Publication number: NL1024860C2
Application number: NL1024860A
Authority: NL
Inventors: Martijn Wilco Arns; Jan Wybrand Arjan Van Dorsten
Original assignee: Brainquiry B V
Priority date: 2003-11-24
Filing date: 2003-11-24
Publication date: 2005-05-26

Description

5 t

Titel: Een systeem en werkwijze voor het registeren van elektrische signalen die in een levend lichaam optreden.

De uitvinding heeft betrekking op een systeem voor het registeren van elektrische signalen die in een levend lichaam optreden, waarbij de inrichting is voorzien van: tenminste twee elektroden voor het verkrijgen van een eerste analoog signaal dat correspondeert met een in het levende 10 lichaam optredend elektrisch signaal; en een analoog/digitaal (A/D) conversie-inrichting die is ingericht voor het ontvangen van een met het eerste analoge signaal corresponderende tweede analoog signaal en voor het omzetten van het tweede analoge signaal in een digitaal signaal.

Een dergelijk systeem is op zich bekend uit de praktijk en wordt 15 veelal toegepast bij het bepalen van bijvoorbeeld hersenactiviteit.

Elektrische signalen die in hersenen optreden hebben een grootte in de orde van microvolts. Voor het in voldoende mate kunnen analyseren van dergelijke signalen dienen deze signalen te worden verstrekt. Hiertoe is het bekende systeem uitgerust met een analoge versterker die het eerste 20 analoge signaal versterkt ten behoeve van het verkrijgen van het tweede analoge signaal dat vervolgens in de A/D conversie-inrichting wordt gevoerd voor omzetting naar een digitaal signaal. Een dergelijke versterker is veelal ten minste een analoge versterker die met een factor 500-1000 kan versterken. Een probleem is dat de benodigde versterkers zeer kostbaar zijn. 25 Hierbij geldt: hoe hoger de benodigde versterking, hoe duurder de versterker. De aanschaf en gebruik van een dergelijk bekend systeem is derhalve slechts aan weinigen voorbehouden. Het systeem vindt dientengevolge veelal slechts toepassing in de medische wereld waar noodzaak tot aanschaf en gebruikmaking van deze kostbare systemen 30 dwingt. Een ander probleem is dat versterkers ruis in het tweede analoog signaal kunnen introduceren, hetgeen het analyseren van het signaal kan bemoeilijken.

1024860 2

Het' is een doel van de uitvinding om een systeem te verschaffen dat vanuit een functioneel oogpunt ten minste overeenkomt met het bekende systeem maar goedkoper kan worden uitgevoerd.

Dit doel van de uitvinding is bereikt met een systeem volgens de 5 uitvinding die wordt gekenmerkt in dat een microvolt in het eerste analoge signaal in hoofdzaak overeenkomst met een microvolt in het tweede analoge signaal en de A/D conversie-inrichting is ingericht voor het uitvoeren van tenminste een 18 bits AID conversie.

Er is bij een systeem volgens de uitvinding geen dure versterker 10 nodig. Immers, de AID conversie-inrichting bij een systeem volgens de uitvinding is voldoende in staat om het tweede analoge signaal bij het omzetten in een digitaal signaal effectief zodanig te "versterken" dat het signaal kan worden verwerkt en/of geanalyseerd door geïnteresseerden.

Immers, 18 bits komen overeen met £56.000 beeldlijnen. Eén beeldlijn komt 15 dan overeen met 1 millivolt. Deze gevoeligheid is bijvoorbeeld al voldoende voor bijvoorbeeld een ElectroCardioGram (ECG) toepassing. Opgemerkt wordt dat de conversie zeer nauwkeurig verloopt en dat eventuele bits die duidelijk niets met het signaal van doen hebben eenvoudig kunnen worden verwijderd. Dit levert een goed gedigitaliseerd signaal. Bij voorkeur geldt 20 dat de A/D conversie-inrichting is ingericht voor het uitvoeren van tenminste een 20 bits A/D conversie. In dit geval is het mogelijk om ElektroEncefaloGram (EEG) signalen betrouwbaar te kwantificeren. Een dergelijke A/D conversie-inrichting is tegenwoordig veel goedkoper dan een analoge versterker zoals gebruikt in de bekende systemen en derhalve is het 25 mogelijk om het systeem volgens de uitvinding veel goedkoper uit te voeren dan het bekende systeem. Daarmee is het mogelijk om dergelijke systemen binnen veel andere omgevingen en voor andere doeleinden, te gebruiken dan in respectievelijk medische omgevingen en medische doeleinden. Hierbij valt te denken aan bijvoorbeeld het nader bestuderen van sport en leerprocessen 30 met behulp van het registeren van tijdens sport en leerprocessen in het 1024860 3 lichaam optredende elektrische signalen. Voorts is met het overbodig zijn van de analoge versterker, de met de analoge versterker gepaard gaande bron van ruis elimineerbaar geworden. Hierdoor kunnen hoogwaardigere en zuiverdere signalen worden verkregen.

5 Verder kan een conditionering van het signaal digitaal plaatsvinden (bijvoorbeeld in de PC). Analoge filters e.d. zijn daarbij niet vereist. Doorgaans is het ingangsbereik van een dergelijke A/D conversie-inrichting van een systeem volgens de uitvinding relatief groot, in de orde van 2.5 Volt. Dit biedt het voordeel dat de A/D conversie-inrichting niet snel 10 verzadigd raakt. Dit staat het betrouwbaar kwantificeren van DC offsets toe.

In een bijzondere uitvoeringsvorm geldt dat het tweede signaal onversterkt is ten opzichte van het eerste signaal. In dit geval is er zeker geen dure versterker nodig, hooguit een zeer goedkope versterker die verlies 15 van de sterkte van het signaal tijdens het vormen van het tweede signaal uit het eerste signaal door een bepaalde vorm van signaaloverdracht, compenseert.

Er kan zelfs gelden dat het tweede signaal verzwakt is ten opzichte van het eerste signaal. Dit kan bijvoorbeeld plaatsvinden tijdens het vormen 20 van het tweede signaal uit het eerste signaal door een bepaalde vorm van signaaloverdracht. Het signaal behoeft geen ernstige verzwakking te ondergaan zodat het gebruik van bijvoorbeeld een 18, 24, 28 of 32 bits A/D converter nog steeds toereikend kan zijn voor het verder verwerken van het signaal.

25 Bij voorkeur geldt dat de A/D conversie-inrichting is ingericht voor het uitvoeren van een 24 bits, 28bits of zelfs een 32 bits A/D conversie.

Hierbij geldt dat hoe hoger het aantal bits, hoe sterker de door de A/D conversie-inrichting uitvoerbare versterking van het signaal tijdens het omzetten van het tweede analoog signaal naar het digitale signaal.

1024860__ __ 4 «

De uitvinding wordt thans toegelicht aan de hand van een tekening. Hierin toont:

Figuur 1 schematisch een eerste uitvoeringsvorm van een systeem volgens de uitvinding.

5 Figuur 1 toont een systeem 1 voor het registreren van elektrische signalen die in een levend lichaam optreden. Systeem 1 is voorzien van ten minste twee elektroden 2a, 2b voor het verkrijgen van een eerste analoog signaal dat correspondeert met een in het levende lichaam optredend elektrisch signaal. Het systeem 1 is tevens voorzien een analoog/digitaal 10 (A/D) conversie-inrichting die is ingericht voor het ontvangen van een met het eerste analoge signaal corresponderende tweede analoge signaal en voor het omzetten van het tweede analoge signaal in een digitaal signaal. Bij gebruik zullen de elektroden op afstand van elkaar elk tegen of nagenoeg tegen een levend lichaam worden aangebracht waarvan elektrische signalen 15 moeten worden verkregen. Bij het optreden van een elektrisch signaal in dat levende lichaam (niet getoond) zal een eerste analoog signaal op basis van dat elektrische signaal in het levende lichaam met behulp van de elektroden worden gegenereerd. De elektroden 2a, 2b zenden dit eerste analoge signaal naar de A/D conversie-inrichting. Dit kan bijvoorbeeld plaatsvinden doordat 20 de elektroden 2a met behulp van een elektrisch geleidende draad is verbonden met de A/D conversie-inrichting 3. Zo kan ook de elektrode 2b met behulp van een elektrisch geleidende draad zijn verbonden met de A/D conversie-inrichting 3. Het is echter ook mogelijk dat, in een alternatieve variant, de elektroden zijn ingericht om het eerste analoge signaal draadloos 25 te versturen naar de A/D conversie-inrichting 3. In de praktijk, ontvangt de A/D conversie-inrichting een tweede analoog signaal dat met het eerste analoge signaal correspondeert. Bij het systeem volgens de uitvinding geldt hierbij dat één microvolt in het eerste analoge signaal in hoofdzaak overeenkomst met één microvolt in het tweede analoge signaal. Voorts geldt 30 dat de A/D conversie-inrichting is ingericht voor het uitvoeren van ten 1024880 ♦ 5 minste een 18 bits A/D conversie. Het is mogelijk dat het tweede signaal onversterkt is ten opzichte van het eerste signaal. Het tweede signaal kan eventueel enigszins zijn verzwakt ten opzichte van het eerste signaal.

Bij voorkeur geldt dat het systeem voorts een mircocontroler 5 en 5 een voeding 4 omvat, bijvoorbeeld voor het aansturen van de elektroden 2a, 2b wanneer er gebruik wordt gemaakt van actieve elektroden. Hierop wordt later teruggekomen. De microcontroller 5 kan eveneens zijn ingericht voor het analyseren van een digitaal signaal dat in gebruik vanuit de A/D conversie-inrichting naar de microcontroller wordt gevoerd. Voorts geldt bij 10 voorkeur dat het systeem 1 is voorzien van een beeldscherm (niet getoond) voor het weergeven van een digitaal signaal dat correspondeert met het in het lichaam optredende elektrische signaal. Bij gebruik van een 18 bits A/D conversie-inrichting geldt dat er 256.000 beeldlijnen worden gevormd. Een beeldlijn kan dan overeenkomen met 1 millivolt. Het is ook mogelijk dat de 15 A/D conversie-inrichting is ingericht voor het uitvoeren van ten minste een 20 bits, 24 bits, of 28 bits A/D conversie. Zelfs een 32 bits A/D conversie wordt niet uitgesloten. Bij gebruik van een 18 bits conversie-inrichting is de gevoeligheid goed genoeg voor het met behulp van het systeem volgens de uitvinding verkrijgen van een elektrocardiogram (ECG) die geschikt is voor 20 analyse. Wanneer het systeem volgens de uitvinding een 20 bits A/D conversie-inrichting omvat is het mogelijk om een daarmee verkregen elektro-encefalogram (EEG) te verkrijgen en betrouwbaar te kunnen kwantificeren. Met een 24 bits, 28 bits, of zelfs een 32 bits A/D conversie-inrichting kan een tijdens de conversie optredende versterking nog veel 25 gunstiger uitvallen, hetgeen ook kan leiden tot nog andere toepassingen.

Het systeem kan zijn voorzien van een verwerkingsinrichting, niet getoond voor het verwerken van een digitaal signaal dat correspondeert met het in het lichaam optredende elektrische signaal. De verwerkingsinrichting kan eventueel in de A/D conversie-inrichting 3 zijn opgenomen of andersom. 30 Ook is het mogelijk dat de verwerkingsinrichting in de microcontroller is 1024860 6 opgenomen óf andersom. Zoals reeds gesteld, het systeem kan zijn ingericht voor het draadloos transformeren van het eerste analoge signaal in het tweede analoge signaal. Het is ook mogelijk dat vanuit de AID conversie· inrichting 3 het signaal draadloos wordt overgedragen aan een 5 verwerkingsinrichting (niet getoond) of aan een beeldscherm, eveneens niet getoond. Uiteraard kunnen het beeldscherm en de verwerkingsinrichting één geïntegreerd geheel vormen. Zo kunnen ook het beeldscherm, de verwerkingsinrichting en de AID conversie-inrichting een geïntegreerd geheel vormen. Het systeem kan voorts zijn ingericht voor het bepalen van 10 fysiologische signalen en het in samenhang met de in het lichaam optredende elektrische signalen verwerken van deze fysiologische signalen.

Het is voorts mogelijk dat het systeem ten minste drie elektroden omvat te weten 2a, 2b en 2c. Hiermee kan veel zuiverder een beeld worden i gekregen van in het levende lichaam optredende elektrische signalen. Het is 15 bijvoorbeeld mogelijk om de elektroden 2a en 2b tegen het hoofd aan te brengen en elektroden 2c tegen bijvoorbeeld een oorlel aan te brengen. De elektroden 2a en 2b registreren een signaal dat ie voorzien van veel ruis. Deze ruis kan echter eveneens worden gemeten met elektroden 2c. Het is dan mogelijk om de ruis uit het met behulp van de elektroden 2a en 2b 20 verkregen signaal te filteren door gebruik te maken van het signaal dat is verkregen met behulp van elektroden 2c. Elektrode 2c wordt ook wel referentie-elektrode genoemd. Alhoewel het mogelijk is dat de twee elektroden 2a, 2b passief zijn, geldt dat de twee elektroden 2a, 2b bij voorkeur actief zijn. Zo kan de microcontroller 5 bijvoorbeeld een 25 stabiliserende werking op het verkrijgen van het eerste analoge signaal uitoefenen. Hiertoe stuurt, in gebruik, de microcontroller 5 de voeding 4 aan. De voeding 4 kan ook zijn verbonden met de AID conversie-inrichting voor toevoer van elektrische energie. De voeding zal in dat geval veelal ten minste één transformator ontvangen. Een dergelijke activering van 30 meetelektroden is op zich bekend. Het is ook mogelijk dat de voeding 4 in 1024860 7 ι verbinding staat met de elektroden 2a, 2b zonder dat de voeding 4 wordt aangestunrd door de microcontroller 5.

Het systeem kan zijn ondergebracht in nauwelijks opvallende kleding. Zo kan eventueel tijdens normaal functioneren een beeld worden 5 gekregen van de in het levende lichaam optredende elektrische signalen. De elektroden kunnen bijvoorbeeld in een haarband zijn verwerkt. Het eerste analoge signaal kan eventueel draadloos worden getransformeerd in het tweede analoog signaal.

Bij voorkeur wordt gebruik gemaakt van AID conversie-10 inrichtingen die geen instrumentatieversterker aan de ingang omvatten. Een A/D conversie-inrichting met een dergelijke instrumentatieversterker vrije ingang voor het ontvangen van het tweede analoge signaal heeft een voldoende hoge CMMR (Common mode r^jection), en is goedkoper dan een AID conversie-inrichting met een instrumentatieversterker bij de ingang.

15 De uitvinding beperkt zich geenszins tot het getoonde uitvoeringsvoorbeeld. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk dat veel meer elektroden dan getoond zijn ingericht voor het verzenden van een eerste analoge signaal aan de AID conversie-inrichting die een met het eerste analoge signaal corresponderend tweede analoge signaal ontvangt.

20 Ook is het mogelijk dat het systeem is voorzien van een video- en/of een audio-inrichting voor respectievelijk het kunnen combineren van visuele waarnemingen in het gedrag van een persoon en/of het kunnen combineren van geluiden of uitspraken geproduceerd door een persoon, met elektrische signalen die in het lichaam, bijvoorbeeld de hersenen van de persoon, 25 optreden.

Dergelijke uitvoeringsvormen worden elk geacht binnen het raamwerk van de uitvinding te vallen.

1024880

Claims

1. Systeem voor het registeren van elektrische signalen die in een levend lichaam optreden, waarbij het systeem is voorzien van: tenminste 5 twee elektroden voor het verkrijgen van een eerste analoog signaal dat correspondeert met een in het levende lichaam optredend elektrisch signaal; en een analoog/digitaal (A/D) conversie-inrichting die is ingericht voor het ontvangen van een met het eerste analoge signaal corresponderende tweede analoog signaal en voor het omzetten van het tweede analoge signaal in een 10 digitaal signaal, met het kenmerk, dat een microvolt in het eerste analoog signaal in hoofdzaak overeenkomst met een microvolt in het tweede analoog signaal en de A/D conversie-inrichting is ingericht voor het uitvoeren van tenminste een 18 bits A/D conversie.

2 Systeem volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het tweede 15 signaal onversterkt is ten opzichte van het eerste signaal.

3 Systeem volgens conclusie 1 en 2, met het kenmerk, dat het tweede signaal verzwakt is ten opzichte van het eerste signaal.

4 Systeem volgens conclusie 1,2 of 3, met het kenmerk dat de A/D conversie-inrichting is ingericht voor het uitvoeren van tenminste een 20 20 bits A/D conversie.

5 Systeem volgens een der voorgaande conclusies, met Het kenmerk, dat de A/D conversie-inrichting is ingericht voor het uitvoeren van tenminste een 24 bits A/D conversie.

6 Systeem volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, 25 dat de A/D conversie-inrichting dis ingericht voor het uitvoeren van tenminste een 28 bits A/D conversie.

7 Systeem volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het systeem tenminste drie elektroden omvat. 102 48 60_ ι

8 Systeem volgens conclusie 7, met het kenmerk dat twee elektroden passief zijn en een elektrode een referentie-elektrode omvat.

9 Systeem volgens conclusie 7, met het kenmerk dat twee elektroden actief zijn en een elektrode een referentie-elektrode omvat. 5

10 Systeem volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het systeem voorts een microcontroller omvat voor het aansturen van de elektroden.

11 Systeem volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het systeem voorts is voorzien van een beeldscherm voor het weergeven 10 van een digitaal signaal dat correspondeert met het in het lichaam optredend elektrische signaal.

12 Systeem volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het systeem voorts is voorzien van ve^werkingsinrichting voor het verwerken van een digitaal signaal dat correspondeert met het in het 15 lichaam optredend elektrische signaal.

13 Systeem volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk dat het systeem is ingericht voor het draadloos transformeren van het eerste signaal in het tweede signaal.

14 Systeem volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk 20 dat het systeem tevens is ingericht voor het bepalen van fysiologische signalen en het in samenhang met de in het lichaam optredende elektrische signalen verwerken van deze signalen

15 Werkwijze voor het registeren van elektrische signalen die in een levend lichaam optreden, waarbij de werkwijze omvat: 25 het met tenminste twee elektroden verkrijgen van een eerste analoog signaal dat correspondeert met een in het levende lichaam optredend elektrisch signaal; het met behulp van een analoog/digitaal (A/D) conversie-inrichting ontvangen van een met het eerste analoog signaal corresponderend tweede analoog signaal; 1024860 ♦ en het met behulp van de analoog/digitaal (A/D) conversie-inrichting omzetten van het tweede analoog signaal in een digitaal signaal, met het kenmerk, dat een microvolt in het eerste analoog signaal in hoofdzaak overeenkomst met een microvolt in het tweede analoog signaal en dat het 5 omzetten van het tweede analoge signaal in een digitaal signaal tenminste een 18 bits A/D conversie omvat. 1024860