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Anordnung zur Au leitung und Verstärkung
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der bei biologischen Vorgängen auftre -tenden elektrischen Spannungen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur AbleItung und Verstärkung der
bei biologischen Vorgängen auftretenden elektrischen Spannungen mit einer Ab leitelektrode
und einem an diese angeschlossenen Verstärker.
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Bei elektrophysiologischen Untersuchungen, z. 13. bei der Elektrokardiographie
oder der Elektroenzephalographie, werden bioelektrische Potentiale extrazel lulär
mittels an der Körperoberfläche befestigter Elektroden gemessen, denen Gleichspannungsverstärker
nachgeschaltet sind. Die an der Körperoberfläche ableitbaren Spannungen sind infolge
von Nebenschlüssen in dem die Meßstelle umgebenden, elektrisch leitenden Gewebe
gering. Es treten an der Körperoberfläche daher nur Spannungen von etwa 10 f Volt
bis 1 m Volt auf.
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Um die Spannungsverluste zwischen der Körperoberfläche und der Ableitelektrode
auf möglichst kleine Werte zu reduzieren, wird die Ableitelektrode mit Hilfe einer
elektrisch leitenden Paste auf der Körperoberf läche angebracht. Hierbei muß jedoch
darauf
geachtet werden, daß die Paste während der Messung nicht
austrocknet, da sonst der Obergangswlderstand zwischen Körperoberfläche und Ableitelektrode
sehr hoch wird. Ein Verschieben der Ableltelektrode stört ebenfalls die zur Erzielung
eines befriedigenden Meßergebnlsses erforderliche Ankopplung. Daher ist es erforderlich,
daß die Befestigung der Ableltelektroden und die Durchführung der elektrophysiologischen
Untersuchungen von meßtechnisch vorgebi Idetem Fachpersonal vorgenommen wird, das
in der Lage Ist, elektrisch bedingte Störungen zu erkennen bzw. zu verhindern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach zu handhabende
Anordnung zur Ableitung und Verstärkung der bei biologischen Vorgängen auftretenden
Spannungen zu entwickeln, die bei ihrem Einsatz weitgehend frei von elektrisch bedingten
Störungen ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ableitelektrode,
die mit einer elektrisch isollerenden Schicht von der für die Ableitung der Spannungen
ausgewählten Körperstelle getrennt und auf ihren der Körperstel le abgewandten Seiten
abgeschirmt ist, über eine abgeschirmte Leitung, die mit dem Schirm der Ableltelektrode
verbunden ist, In dem Verstärker an die erste GATE-Elektrode eines D0PPEL-GATE-Feldeffekttransistors
In S0URCE-Schaltung angeschlossen ist, wobei In der Zuleitung zur ersten GATE-Elektrode
ein erster Widerstand vorgesehen ist, der innerhalb des Leitungsschirms angeordnet
Ist, der mit der zweiten GATE-Elektrode und der S0URCE-Elektrode verbunden Ist.
Diese Anordnung betet die Möglichkeit, bioelektrische Spannungen von Körperoberflächen
kapazitiv abzuleiten. Die Ableltelektroden können ohne die Verwendung von Pasten
an den Meßstellen angebracht werden.
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Durch die kapazitive Ankopplung wirken Verschiebungen der Ableitelektroden
innerhalb bestimmter Grenzen nicht störend auf die Messung ein. Für den Einsatz
dieser Anordnung sind deshalb keine besonderen Vorkenntnlsse in elektrischer Meßtechnik
notwendig.
Die Anordnung kann somit für biologische und medizinische
Untersuchungen auch von meßtechnisch nicht vorgebi 1-detem Personal benutzt werden.
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Der Elngangswiderstand der Anordnung kann auf Werte eingestellt werden,
die über den komplexen und Innerhalb weiter Grenzen schwankenden Innenwiderständen
der bioelektrischen Spannungsquellen liegen. Daher werden mit der Anordnung gute
Meßergebnisse erzielt. Durch die Abschirmung wird ein günstiges Signal/ Störspannungs-Verhä
ltnis erreicht. Zusätzliche Abschi rmmaßnahmen, z.B. die Durchführung der elektrophysiologischen
Untersuchungen In eigens gegen hochfrequente Elnstreuungen abgeschirmten Räumen,
sind nicht erforderlich. Weiterhin hat die Anordnung eine geringe Kapazität zwischen
der ersten GATE-Elektrode und der DRAlN-Elektrode. Die Rückwirkung zwischen erster
GATE-Elektrode und der DRAlN-Elektrode ist somit sehr klein. Daraus ergeben sich
eine niedrige Eingangskapazität und ein hoher Verstärkungsgrad.
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Die kapazitiv abgeleiteten Spannungen werden weitgehend phasengetreu
verstärkt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß ein bipolarer
Transistor mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke zwischen dem Betriebsspannungsanschluß
und der S0URCE-Elektrode angeordnet und mit seiner Basis an die DRAlN-Elektrode
angeschlossen ist und daß der Kollektor des Transistors den Ausgang des Verstärkers
bildet. Diese Anordnung welse eine hohe Stromverstärkung auf, die über einen weiten
Bereich der Belastungswlderstände des Verstärkers einen gleichbleibenden Wert behält.
Deshalb eignet sich diese Anordnung als Treiberschaltung für Obertragungsleitungen,
die beispielsweise zu Registriergeräten verlegt sind.
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Der bipolare Transistor und der DOPPEL-GATE-Feldeffekttransistor sowie
die zur Arbeltspunkteinstel lung und zur Ankopplung an die Ableltelektrode erforderlichen
Bauelemente lassen sich in einem Tastkopf anordnen, der nur geringe Abmessungen
aufweist. Der Tastkopf kann direkt auf der Ableltelektrode montIert sein. Für die
Verbindung zu einem nachgeschalteten Gerät, in dem z. B. ein weiterer Verstärker
vorgehen ist, werden nur drei Leitungen benötigt.
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Eine zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, daß die erste GATE-Elektrode
des Feldeffekttransistors über den ersten Widerstand und einen zweiten Widerstand,
der mit dem ersten in Reihe geschaltet ist, an Bezugspotential gelegt ist und daß
die Verbindungsstelle der beiden Widerstände über einen Kodensator mit der S0URCE-Elektrode
verbunden ist. Mit dieser Anordnung läßt sich eine günstige Arbeitspunktelnstellung
des Verstärkers bei hohem Eingangswiderstand erreichen.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform weist die Ableitelektrode
einen plattenförmigen Belag auf, dessen Ränder von einem ebenen, in die Abschirmung
einbezogenen Belag in geringem Abstand umgeben sind. Durch diese Anordnung werden
Streuungen des elektrIschen Feldes an den Rändern der plattenförmigen Ableitelektrode
weitgehend vermieden. Die Kapazität der plattenförmigen Ableitelektrode kann daher
genau bestimmt werden. Dies erleichtert die Anpassung des Verstärkers. Weiterhin
ist der Ankopplungsbereich zwischen Ableitelektrode und Körperfläche durch die Abmessungen
der Arbeitselektrode abgegrenzt. Die Beeinflussung des Meßergebnisses durch Störspannungen
wird demnach vermindert.
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Vorzugsweise weist die Ableitelektrode ein kreisförmiges Plättchen
auf, das in geringem Abstand von einem Schutzring umgeben ist, der an die Abschirmung
angeschlossen ist. Diese Anordnung hat neben der günstigen Abschirmwirkung noch
den Vorteil, daß sie aufgrund Ihrer einfachen Form leichter herzustellen ist.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten
Ausfilhrungsbeisplels näher erläutert, aus dem sich weitere Merkmale und Vorteile
ergeben.
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Eine Anordnung zur Ableitung und Verstärkung von bioelektrischen Spannungen
enthält eine Ableltelektrode 10, die ein kreisförmiges Plättchen 12 aufweist, dessen
Rand in geringem Abstand von einem kreisringtörmigen Schirm 14 umgeben ist, der
sich in der gleichen Ebene erstreckt wie das Plättchen 12. Der Abstand zwischen
dem Plättchen 12 und dem Schirm 14 ist von einem elektrisch isolierenden Material
ausgefüllt. Das Plättchen 12 Ist von einer
Schicht 16 aus elektrisch
isolierendem Material umgeben. Die Schicht 16 ist von geringer Stärke. Die elektrische
Isolierung mit einer Schicht 16 ist insbesondere auf derjenigen Seite des Plättchens
12 erforderlich, die auf die für die Messung bloelektrischer Spannungen ausgewählten
Körperoberfläche gelegt wird. Aus Herstellungsgründen ist es überdies günstig, alle
Flächen des Plättchens 12 und des Schirms 14 mit der Isolierschicht 16 zu überziehen.
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Das Plättchen 12 ist über eine Leitung 18, die einen Schirm 20 aufweist,
mit dem Anschluß 22 der ersten GATE-Elektrode eines M0S-D0PPEL-GATE-Feldeffekttransistors
24 verbunden, bei dem es sich um einen selbstleitenden Verarmungstyp handeln kann.
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Die Ableitelektrode 10 enthält weiterhin einen Abschirmbelag 26,.
der im Abstand vom Plättchen 12 angeordnet ist. Zwischen dem Belag 26 und dem Plättchen
12 befindet sich elektrisch Isolierendes Material. Der Belag 26 ist elektrisch leitend
mit dem Schirm 14 verbunden und auf der nicht für die Auflage auf den Körperoberflächen
vorgesehenen Seite der Ableitelektrode 10 angeordnet. Weiterhin besteht einen elektrisch
leitende Verbindun-g- zwischen dem Belag 26 und dem Schirm 20. Die Ableitelektrode
10 ist somit auf Ihren Seiten, die nicht für die AuS lage auf der Körperoberfläche
vorgesehen sind, geschirmt. Die Leitung 18 verläuft durch eine Öffnung im Belag
26.
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Der D0PPEL-GATE-Feldeffekttransistor 24 ist in S0URCE-Schaltung angeordnet,
d. h. neben einem Arbeitswiderstand 28 in der DRAlN-Zuleltung Ist noch ein Widerstand
30 In der SOURCE-Zuleitung angeordnet. In der Zuleitung zur ersten GATE-Elektrode
22 ist ein Widerstand 32 vorgesehen, der noch innerhalb des Schirms 20 angeordnet
ist. Der Schirm 20 Ist einerseits mit dem Anschluß 34 der zweiten GATE-Elektrode
des Feldeffekttransistors 24 und andererseits mit dem Anschluß 36 der S0URCE-Elektrode
verbunden.
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Ein bipolarer Transistor 38 ist mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke
zwischen einem Anschluß 40 für die Spannungsversorgung des Verstärkere und dem Anschluß
36 der S0URCE-Elektrode angeordnet.
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Die Basis des Transistors 38 ist an den Anschluß 42 der DRAlN-Elektrode
gelegt. Der Anschluß 22 der ersten GATE-Elektrode steht über den Widerstand 32 und
einem mit diesem in Reihe geschalteten weiteren Widerstand 44 mit einem Anschluß
46 in Verbindung, der an Masse als Bezugspotential gelegt ist. Die gemeinsame Verbindungsstelle
der beiden Widerstände 32, 44 ist über einen Kondensator 48 an die SOURCE-Elektrode
36 angeschlossen.
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Die bioelektrischen Spannungen werden von der nicht dargestellten
Körperoberfläche, mit der die Isolierschicht 16 in Berührung steht, kapazitiv an
das Plättchen 12 der Ableitelektrode 10 angekoppelt. Infolge der Wirkung des Schirms
14 beschränkt sich die Kopplung auf den Bereich der Abmessung des Plättchens 12.
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Daher werden seitliche Hochfrequenzeinstreuungen weitgehend vermieden.
Dies erhöht die Genauigkeit der Messung. Es ist nicht erforderlich, Pasten zwischen
der Körperoberfläche und der Ableitelektrode 10 vorzusehen. Durch die kapazitive
Ableitung der bioelektrischen Spannungen ergibt sich als weiterer Vorteil, daß der
Einfluß von Kontaktpotentialen beseitigt wird, die bei Berührung von nicht isolierten
Metallelektroden mit feuchtem Gewebe entstehen. Die Schirmung der Leitung 18 und
des Widerstands 32 beseitigt störende Hochfrequenzeinflüsse auf die eingekoppelte
Spannung. Es sind deshalb keine weiteren Abschirm -maßnahmen, wie z. B. Durchführung
der Messung in abgeschirmten Räumen, erforderlich. Die Anordnung ist somit universell
einsetzbar Der aus den Elementen 24, 28, 30, 32, 38, 44 und 48 nebst den zugehörigen
Verbindungsleitungen bestehend e Verstärker hat einen hohen Elngangswiderstand.
Die Anordnung der Widerstände 32, 44 führt nicht zu einer wesentlichen Verminderung
des Eingangswiderstands, da der Widerstand 32 mittels des Kondensators 48 wechselstrommäßig
parallel zu dem Widerstand zwischen der ersten GATE-Elektrode und der SOURCE-Elektrode
geschaltet ist und wie dieser Widerstand infolge der Gegenkopplung in der SOURCE-Leitung
eingangsseitig mit einem höheren Wert in Erscheinung tritt.
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ùurcn die Verbindung der zweiten GATE-Elektrode über den Schirm 20
und den widerstand 30 mit Bezugspotential wird die Kapazität zwischen der ersten
GATE-Elektrode und der URAlN-Elektrode wesentlich reduziert. Dadurch ergibt sich
eine besonders kleine Rückwirkung zwischen der DRAIN-Elektrode und der ersten GATi
-Elektrode. Vit dem Feldeffekttransistor 24 läßt sich somit eine grobe Verstärkung
erzielen.
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3er Dipolare~ Transistor 39 ist in Basisschaltung mi mit dem Ansch
lu<3 42 der Di#AIN-EIektrode, der SOURCE-Elektrode und dem Betriebsspannungsansch
1 uß 40 verwunden. daher arbeitet die Schaltung vorwiegend als Stromverstärker,
wobei der Kollektor den Ausgang des Verstärkers bildet. Di3 Stromverstärkung behält
bis zu hohen Lastwiderständen in etwa den gleichen Wert bei. Infolge der Stromverstärkereigenschaft
sind die an der Ableitelektrode 10 und dem Kollektor des Transistors 33 auftretenden
Spannungen in etwa gleich groß. Für den Eingangswiderstand R. der Schaltung gilt
daher die Beziehung:
wobei mit Vj die Eingangsspannung an der Ableitelektrode, mit VO die Ausgangsspannung
am Kollektor des Transistors 38 und mit R32 der ~#ert des Widerstandes 32 bezeichnet
sind.
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Da die Differenz Vj - Vo sehr klein ist, ergibt sich ein großer Eingangswi
derstand.
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Die Kapazität CDG1 zwischen der DRAlN-Elektrode und der ersten GATE-Elektrode
wird durch den Anschluß der zweiten GATE-Elektrode an die SOURCE-Elektrode erheblich
verkleinert. Zwischen der DRAIN-Elektrode und der SOURCE-Elektrode verbleibt die
Kapazität:
Da die Abschirmung 20 ebenfalls an die SOURCE-Elektrode angeschlossen ist, werden
auch alle anderen an G1 wirksamen Kapazitäten im gleichen Verhältnis vermindert.
Dazu gehören z. B. die Kapazitäten zwischen Leitung 18 und Masseanschluß 46 sowie
die Kapazität zwischen Widerstand 32 und Masse. Die in der Zeichnung dargestellte
Schaltungsanordnung besteht nur aus wenigen Elementen, die geringe Abmessungen aufweisen.
Die Anordnung kann daher in einem Tastkopf montiert werden,
der
mit der Ableitelektrode 10 direkt auf der Körperoberfläche befestigt wird. Dadurch
lassen sich Verluste auf der Leitung zwischen der Ableitelektrode und der ersten
GATE-Elektrode weitgehend vermeiden. Ein derartiger Tastkopf benötigt nur drei Zuleitungen.
Der Aufwand an Leitungen ist daher gering. Da die Stromverstärkung unabhängig von
einem in weiten Bereichen schwankenden Lastwiderstand ist, eignet sich die Schaltungsanordnung
auch als Treiberschaltung für Leitungen, die mit Auswertgeräten, z. B. Registriergeräten,
verbunden sind.
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Aufgrund der geringen Eingangskapazität hat der Verstärker eine große
Bandbreite. Daher werden die höherfrequenten Anteile der abgeleiteten Potentiale
bei der Verstärkung nicht verfälscht.
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Falls Störspannungen z.B. durch Störfelder auftreten, können diese
durch Verwendung zweier der erfinderischen Anordnungen in Form einer Dtfferentialschaltung
ausgeschaltet werden.
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Patentansprüche: