DE2429953A1

DE2429953A1 - Schaltungsanordnung zur verarbeitung physiologischer messignale

Info

Publication number: DE2429953A1
Application number: DE2429953A
Authority: DE
Inventors: Thomas Ohlsson
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-06-21
Filing date: 1974-06-21
Publication date: 1976-01-02
Also published as: US4023565A; DE2429953B2; JPS5176880A; DE2429953C3; FR2275183A1; NL181970B; SE399817B; NL7506223A; JPS6017531B2; GB1515351A; IT1038814B; SE7506864L; FR2275183B1; NL181970C

Description

Siemens Aktiengesellschaft Erlangen, 27. Mai 1974

Henkestraße 127

YPA 74/5067 Ip/Ler

Schaltungsanordnung zur Verarbeitung physiologischer

Meßsignale

Eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist in der Zeitschrift "Philips Technische Rundschau", 1959/60, Nr. 2, Seiten 51 bis 65, anhand eines Elektrokardiographen beschrieben. Bei dem bekannten Elektrokardiographen werden alle vom Patienten abgegriffenen Spannungen gegen die an einer Bezugselektrode abgegriffene Spannung gemessen. Dadurch ist erreicht, daß Störsignale (Brumm),- die bewirken, daß das Potential des gesamten Körpers von Full abweicht, weitgehend eliminiert werden. Die Ausschaltung dieser Störsignale erfolgt deshalb^, weil die. Eingangsverstärker als Differenzverstärker ausgebildet sind, die die Differenz zwischen ihrem (jeweiligen Eingangssignal und -dem Bezugssignal verstärken und der Brurcir^als Gleichtakt signal auch dem Eingangssignal· überlagert ist. ■ . ■

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Eine einwandfreie Wirkungsweise ist bei dem bekannten Elektrokardiographen nur dann gewährleistet, wenn die Eingangsverstärker alle dieselbe definierte Verstärkung besitzen und wenn insbesondere die Bauelemente dieser Verstärker verhältnismässig kleine Toleranzen aufweisen, so daß bei der Subtraktion zweier gleich großer Eingangssignale eines Differenzverstärkers mit hoher Genauigkeit das Ausgangssignal Null erhalten wird. Nachteilig ist bei dem bekannten Elektrokardiographen, daß der Schaltungsaufwand für die Eingangsverstärker groß ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, bei der der Eingangskreis wesentlich einfacher als beim Stand der Technik aufgebaut ist, bei dem insbesondere in diesem Kreis -Operationsverstärker zur Anwendung kommen, und bei dem Toleranzen in den Bauelementen sich innerhalb verhältnismäßig weiter Grenzen nicht ungünstig auf die G-Ieichtaktunterdrückung, d.h. auf die Unterdrückung von Störsignalen, auswirken. Ferner soll auch dann, wenn eine oder mehrere Abnahmeelektroden nicht angeschlossen sind - was bei der Erfassung des EKG oder EEG vorkommen kann - eine einwandfreie Gleichtaktunterdrückung, d.h. Unterdrückung von StörSignalen, gewährleistet sein.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs 1. Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann jeder Eingangsverstärker aus einem handelsüblichen Operationsverstärker bestehen, der durch zwei zusätzliche Widerstände beschaltet ist. Der Aufbau eines Eingangsverstärkers ist daher gegenüber dem Stand der Technik wesentlich vereinfacht. Toleranzen dieser Widerstände und der Verstärkungen der Eingangsverstärker wirken sich nicht auf das Maß der Gleichtaktunterdrückung aus. Die

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Unterdrückung der G-Ie ich takt signale erfolgt durch die den Eingangsverstärkern nachgeschalteten Differenzverstärker. Die Gleichtaktunterdrückurig in der ganzen Anordnung ist aber von der internen G-leichtaktunterdrückung der Operationsverstärker im Eingangskreis abhängig. Die G-leichtaktsignale werden durch die Eingangsverstärker nicht verstärkt, währ ο rl die Differenzsignale zwischen zwei Elektroden an den Ausgängen der Eingangsverstärker verstärkt erscheinen, so daß Toleranzen der nachgeschalteten Differenzverstärker sich nur um . den Verstärkungsfaktor der Eingangsverstärker verringert auf die G-leichtaktunterdrückung auswirken. Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird das. Störsignal eines Eingangskanals sämtlichen Eingangsverstärkern als Störsignal aufgedrückt, so daß die die Störsignale verkörpernden Ausgangssignale der Eingangsverstärker alle gleich sind und bei der Differenzbildung in den nachgeschalteten Differenzverstärkern eliminiert werden. Wesentlich ist bei der Benutzung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, daß diejenige Abnahmeelektrode, die am gemeinsamen Potentialpunkt angeschlossen ist, am Patientenkörper angelegt ist.

Weitere Torteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.

Das Ausführungsbeispiel dient zur Erfassung eines EKG-. Es sind drei Operationsverstärker 1 bis 3 vorhanden, an deren Pluseingängen drei Abnahmeelektroden R, L und F angeschlossen sind. Die gestrichelte Linie deutet an, daß noch weitere Elektroden vorhanden sind, denen je ein weiterer Operationsverstärker zugeordnet ist. Die Minuseingänge der Operationsverstärker 1 bis 3 sind über Widerstände R1 mit deren Ausgängen 'und über Widerstände R2 mit einem gemeinsamen Potentialpunkt 5 verbunden. Die Operationsverstärker besitzen eine hohe Ver-

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Stärkung im nicht rückgekoppelten Zustand sowie eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige Ausgangsimpedanz. Es ergibt sich, daß die Gleichtaktsignale (Störsignale) an den Eingängen der Operationsverstärker 1 "bis 3 unverändert an deren Ausgängen wieder erscheinen, während das Differenzsignal zwischen den Ausgangssignalen zweier Operationsverstärker gegenüber dem Differenzsignal zwischen den entsprechenden EingangsSignalen um den Faktor 1 + -^r verstärkt ist.

Die Ausgänge der Operationsverstärker 1 bis 3 sind mit Differenzverstärkern 6 bis 8 über einen Programmwähler 9 nach einem vorbestimmten Programm verbunden. Der Differenzverstärker 6 bildet z.B. die Differenz aus den Ausgangssignalen der Operationsverstärker 1 und 2. Bei der Differenzbildung werden die Störsignale eliminiert, während die Differenzsignale zwischen den Eingangssignalen, z.B. zwischen den Signalen R und

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Ii, um den Faktor 1 + ^ verstärkt erfaßt werden. Die Differenzverstärker 6 bis 8 steuern EKG—Wiedergabeeinrichtungen bis 12, z.B. Schreiber.

Der gemeinsame Potentialpunkt 5 liegt am Ausgang eines Spannungsfolgers 13, dessen Pluseingang mit dem von der Elektrode R abgegriffenen Potential verbunden ist. Der Spannungsfolger 13 hat eine Spannungsverstärkung von 1:1, eine niedrige Ausgangsimpedanz und eine hohe Eingangsimpedanz. Er bewirkt, daß auch dann, wenn eine der Elektroden L und F nicht am Patienten angeschlossen ist, die gleiche G-leichtaktspannung an den Ausgängen aller Operationsverstärker auftritt. Bei der Differenzbildung in den Differenzverstärkern 6 und 7 wird das Störsignal dann eliminiert. Die Schaltungsanordnung gemäß der Zeichnung ermöglicht es also, ein EKG· auch dann aufzunehmen, wenn nicht alle Abnahmeelektroden an Patienten angeschlossen sind, wobei auch in diesem Fall die Störsignale unterdrückt werden.,

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R1 Pur die Ausgangsspannungen gilt folgendes bei ^y = 30:

UA1 = (UE1 - TJE1) · 30 + UE1 = UE1 UA2 = (ÜE2 - UE1) · 30 + UE2 = 31UE2 - 30UE1 UA3' = (UE3 - UE1) · 30 + UE3 = 31UE3 - 30UE1

Es gilt beispielsweise für das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 6 folgendes: U6. = 31UE2 - 31UE1 = 31 · (UE2 - UE1) Pur das Ausgangssignal U7 gilt z.B.: U7 = 31 · (UE3 - UE1).

Hinsichtlich des Brumms gilt, daß UE1 = UE2 = UE3 ist, denn die Brummspannung an allen drei Eingängen ist gleich groß. Setzt man für die Brummspannung U, so gilt für die Brummspannung:

UA1 = UA2 = UA3 = (U - U) · 30 + U = U.

Während die Brummspannung in den Eingangskreisen nicht verstärkt und durch die Differenzverstärker eliminiert wird, sind die Differenzsignale um den Faktor 31 verstärkt. Toleranzen in den Verstärkungen der Operationsverstärker 1 bis 3, sowie Toleranzen der Widerstände R1 und R2 wirken sich nicht auf die Unterdrückung der Störsignale aus.

Wesentlich für die Schaltungsanordnung ist, daß immer diejenige Elektrode, an der der Spannungsfolger 13 angeschlossen ist (R)_/am Patienten angelegt wird.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist ganz allgemein zur Verarbeitung physiologischer Meßsignale, z.B. auch eines EEG-, am/endbar.

Aus da? obigen Ableitung der Ausgangsspannungen ergibt sich, daß die Ausgangsspannung UA1 = UE1 ist. Im Rahmen der Erfin-

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dung kann daher der Operationsverstärker 1 entfallen, wenn das Ausgangs signal des Spannungsf olgers 13 dem Programmwähler 9 und damit dem einen Eingang des Differenzverstärker 6 direkt zugeführt ist. Wenn der Spannungsfolger 13 nicht vorhanden ist, kann das von der Elektrode R abgegriffene Signal (UE1) direkt dem Programmwähler 9 zugeführt werden. Wesentlich für diese beiden !"alle ist also, daß das Potential des gemeinsamen Potentialpunkts 5 dem Eingang eines oder mehrerer Differenzverstärker - bei dem Beispiel den Differenzverstärkern 6 und 7 - unmittelbar zugeführt ist. Bei dem dargestellten Beispiel ist der Operationsverstärker 1 aus Symmetriegründen vorhanden. Abweichungen des Potentials am gemeinsamen Potentialpunkt 5 von UE1 wirken sich also in diesem Fall kaum störend aus.

Zusammenfassend ergibt sich, daß wesentlich für die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß der Zeichnung ist, daß unabhängig davon, ob die Elektroden L und F am Patienten angeschlossen, sind oder nicht die Ausgänge aller Operationsverstärker 1 bis 3 die gleiche Störspannung im Verhältnis zur Bezugserde annehmen, wie der Eingang des Operationsverstärkers 1, der mit dem Spannungsfolger 13 gekoppelt ist, also wie der Minuseingang des Operationsverstärkers 1. Bei der Bildung der Differenz zwischen zwei Ausgangsspannungen wird daher das Störsignal immer eliminiert.

Die obige Ableitung der Ausgangsspannungen der Operationsverstärker 1 bis 3 ergibt sich daraus, daß ein Operationsverstärker mit den zugehörigen Widerständen R1 und R2 im Ersatzschaltbild durch einen Differenzverstärker mit nachgeschaltetem Addierglied dargestellt werden kann, das die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers zu der von der entsprechenden Elektrode kommenden Eingangsspannunr: addiert.

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Claims

Patentansprüche

(Schaltungsanordnung zur Verarbeitung physiologischer Meßsignale, bei der eine Anzahl von Eingangsverstärkern mit je einem Plus- und einem Minus-Eingang vorhanden ist, deren Ausgangssignale eine Signalwiedergabeeinrichtung steuern und die an je einer Abnahmeelektrode angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß an den Plus-' Eingängen, der Eingangsverstärker (1 bis 3) die Abnahmeelektroden (11, L, Έ) für die Signale angeschlossen sind, daß zwi- · sehe;, den Ilinus-Eingängen und den Ausgängen der Eingangsverstärker (1 bis 3) Widerstände (R1) liegen, daß die Minus-Eingänge über Widerstände (R2) mit einem gemeinsamen Potentialpunkt (5) verbunden sind, daß an den Ausgängen von jeweils mindestens zwei Eingangsverstärkern (z.B. 1, 2) die beiden Eingänge eines Differenzverstärkers (z.B. 6) angeschlossen sind, dessen Äusgangssignal die Wiedergabeeinrichtung (z.B. 10) steuert, und daß der gemeinsame Potentialpunkt (5) mit einer Abnahmeelektrode (R) verbunden ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Abnahmeelektrode (R) und dem gemeinsamen Potentialpunkt (5) ein Impedanzwandler (13) mit einer Spannungsverstärkung von 1, einem hohen Eingangswiderstand und einem niedrigen'Ausgangswiderstand liegt.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abnahmeelektroden EKG-Elektroden sind.
4· Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential des gemeinsamen Potentialpunktes (5) dem Eingang eines oder mehrerer Differenzverstärker unmittelbar zugeführt ist.

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5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4', dadurch gekennzeichnet, daß jeder Eingangsverstärker ein Operationsverstärker ist.

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