DE102011116051A1

DE102011116051A1 - Device for measuring ECG signal in human body, has electric or electronic switches that switch component between two electrodes according to electronically controllable impedance

Info

Publication number: DE102011116051A1
Application number: DE102011116051A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-10-17
Filing date: 2011-10-17
Publication date: 2013-04-18

Abstract

The measuring device has two electrodes (E1,E2) that transmit the high-impedance measuring voltage signal to a high-impedance measurement amplifier (V1) to measure the current between two electrodes. The electric or electronic switches (S1,S2) switch the component between two electrodes according to the electronically controllable impedance.

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, weitere Informationen aus einem EMG, EKG oder EEG Signal abzuleiten, um eine verbesserte Diagnose zu ermöglichen.The invention has for its object to derive further information from an EMG, ECG or EEG signal to allow for improved diagnosis.

Sowohl EMG, EKG als auch EEG Messsysteme sind seit langem bekannt und Stand der Technik. Zur Ableitung der Signale werden gewöhnlich auf den Körper aufgebrachte Elektroden verwendet, welche an einen hochohmigen Ableitverstärker angeschlossen sind, der das Signal zu weiteren Filterung, Signalverarbeitung und Darstellung aufbereitet.Both EMG, ECG and EEG measuring systems have long been known and state of the art. To derive the signals usually applied to the body electrodes are used, which are connected to a high-impedance Ableitverstärker, which processes the signal for further filtering, signal processing and presentation.

Auch wenn viele Fortschritte in der Konstruktion der Elektroden und der Ableitverstärker erzielt wurden, siehe beispielsweise DE10353971 , DE10353969 , EP2090225 , US4213466 , US5099856 oder US5711307 , so bleibt doch das ursprüngliche Prinzip der hochohmigen Ableitung bestehen.Although much progress has been made in the design of the electrodes and the Ableitverstärker, see for example DE10353971 . DE10353969 . EP2090225 . US4213466 . US5099856 or US5711307 , so the original principle of the high-impedance derivative remains.

Neben Stärke und Form des Signals ist auch der Ursprung des Signals innerhalb des Körpers für die Diagnostik von großem Interesse. Zu dessen Bestimmung werden traditionell Mehrkanalsysteme verwendet, welche begrenzte Aussagen hierüber erlauben. In jüngster Zeit finden hierzu auch Matrixsysteme Einzug in die Wissenschaft, siehe US6965794 .In addition to the strength and shape of the signal, the origin of the signal within the body is also of great interest to the diagnostics. For its determination, multi-channel systems are traditionally used, which allow limited statements about this. More recently, matrix systems have found their way into science, see US6965794 ,

All diesen Systemen ist gemein, dass sich die Tiefe einer Signalquelle unterhalb der Hautoberfläche bzw. des Abstands der Quelle zu den Messelektroden nur sehr schwer bestimmen lässt.All these systems have in common that the depth of a signal source below the skin surface or the distance of the source to the measuring electrodes is very difficult to determine.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messung der Tiefe der Signalquelle zu ermöglichen, um so beispielsweise EMG Signale des M. gastrocnemius in der Wade von denen des M. soleus sauber trennen zu können, beide Muskeln liegen im menschlichen Körper übereinander, unterscheiden sich jedoch durch ihre Zwei- bzw. Eingelenkigkeit.The invention has for its object to enable a measurement of the depth of the signal source, so as to be able to separate, for example, EMG signals of the gastrocnemius muscle in the calf of those of the M. soleus clean, both muscles are superimposed in the human body, but differ by their doubly or singularity.

Das Problem wird erfindungsgemäß durch das in Patentanspruch 1 beschriebene Messgerät gelöst, dessen Funktion im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert wird:
Das Beispiel in Bild 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Messsystem. Dieses verfügt neben dem üblichen hochohmigen Ableitverstärker V1 über einen weiteren Strommesskanal TIA1, der über zwei elektronische Schalter S1 und S2 mit den beiden Ableitelektroden E1 und E2 gekoppelt ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um hochwertige CMOS-Schalter handeln.The problem is solved according to the invention by the measuring device described in claim 1, the function of which will be explained below with reference to an embodiment:
The example in Figure 1 shows a measuring system according to the invention. This has in addition to the usual high-impedance Ableitverstärker V1 via another current measuring channel TIA1, which is coupled via two electronic switches S1 and S2 with the two Ableitelektroden E1 and E2. These may be, for example, high quality CMOS switches.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform gemäß Unteranspruch handelt es sich bei TIA1 um einen symmetrischen Transimpedanzverstärker oder um einen Integrator, siehe Bild 2, wie er in Femtoamperemetern verwendet wird. Bei letzterem werden anstelle der Widerstände R1 und R2 des Transimpedanzverstärkers die Kondensatoren C1 und C2 verwendet, durch den Messstrom geladen und per Schalter S3 und S4 periodisch entladen, was wiederum das Rauschverhalten verbessert. Sinnvollerweise erfolgt die Entladung in den Messpausen (S1 und S2 offen). Natürlich wäre auch eine Zuschaltung lediglich eines Widerstands parallel zu den Elektroden und Messung des Spannungsabfalls über diesen mit Hilfe des ohnehin vorhandenen hochohmigen Ableitverstärkers denkbar, theoretisch könnte dieser Widerstand auch über weitere Elektroden abseits der Messelektroden geschaltet sein oder deren parasitärer Übergangswiderstand genutzt werden. Allerdings wird ein derartiges System wesentlich schlechtere Rauscheigenschaften aufweisen als ein dediziert zur Strommessung ausgelegter Transimpedanzverstärker oder Integrator.In a particularly preferred embodiment according to the subclaim, TIA1 is a symmetrical transimpedance amplifier or an integrator, see Figure 2, as used in femtosecond meters. In the latter case, instead of the resistors R1 and R2 of the transimpedance amplifier, the capacitors C1 and C2 are used, charged by the measuring current and periodically discharged by switches S3 and S4, which in turn improves the noise performance. It makes sense to discharge in the measuring breaks (S1 and S2 open). Of course, a connection of only one resistor parallel to the electrodes and measurement of the voltage drop across this using the already existing high-impedance Ableitverstärkers would be conceivable, theoretically, this resistor could be connected via other electrodes away from the measuring electrodes or their parasitic contact resistance can be used. However, such a system will have much worse noise characteristics than a dedicated transimpedance amplifier or integrator for current measurement.

Beide elektronischen Schalter werden synchron von einem Rechteckgenerator RG1 mit einer Frequenz im zweistelligen Kilohertz-Bereich geschaltet, welche gemäß Unteranspruch weit oberhalb der interessierenden obersten Frequenz des EMG Signals liegt und somit leicht über einen analog oder digital realisierten Tiefpass TP1 und TP2 ausgefiltert werden kann, ohnehin benötigen die nachfolgenden A/D-Wandler ADC1 und ADC2 Anti-Alias Tiefpässe. Das Rechtecksignal wird gleichzeitig an den Signalverarbeitungsprozessor DSP1 zur Zustandsermittlung des Messsystems weitergegeben, die Messdaten über ADC1 und ADC2 digitalisiert und an DSP1 geleitet.Both electronic switches are synchronously connected by a rectangular generator RG1 with a frequency in the two-digit kilohertz range, which is far above the interest of the uppermost frequency of the EMG signal and thus can be easily filtered out via an analog or digitally realized low pass TP1 and TP2, according to dependent claims, anyway The following A / D converters ADC1 and ADC2 require anti-alias low-pass filters. The square wave signal is simultaneously passed to the signal processing processor DSP1 for determining the state of the measuring system, the measured data is digitized via ADC1 and ADC2 and passed to DSP1.

Bedingt durch das Nyquist-Theorem ist eine Abtastung der Spannung an den Ableitelektroden zu dem Zeitpunkt, zu dem keine Strommessung stattfindet und S1 wie S2 geöffnet sind, völlig ausreichend zur Rekonstruktion des EMG Signals. Es ist lediglich auf einen exakt definierten Abtastzeitpunkt zu achten, gegebenenfalls sind die Wandler mit dem Schaltsignal des Rechteckgenerators RG1 zu synchronisieren. Der Rechteckgenerator kann auch als meist vorhandener Timer in DSP1 intern realisiert sein.Due to the Nyquist theorem, a sample of the voltage at the drain electrodes at the time when no current measurement takes place and S1 as S2 are open is quite sufficient to reconstruct the EMG signal. It is only to pay attention to a precisely defined sampling time, if necessary, the converter to be synchronized with the switching signal of the rectangular generator RG1. The square wave generator can also be implemented internally as the most existing timer in DSP1.

Sind hingegen S1 und S2 geschlossen, so führt das System eine Strommessung über den Strommesskanal TIA1 durch. Entgegen der bisherigen technischen Lehre zur Konstruktion von Ableitverstärkern kann durch diese zeitweilig niederohmige Anschaltung eines Strommesskanals überraschenderweise eine wesentliche Zusatzinformation für die nachfolgende Signalverarbeitung gewonnen werden.On the other hand, if S1 and S2 are closed, the system carries out a current measurement via the current measuring channel TIA1. Contrary to the previous technical teaching for the construction of Ableitverstärkern surprisingly, a significant additional information for the subsequent signal processing can be obtained by this temporary low-impedance connection of a current measuring channel.

Denn der Strommesskanal stellt idealerweise einen Kurzschluss ohne eigenen Innenwiderstand dar, sodass der Strom lediglich durch den Innenwiderstand der Signalquelle begrenzt wird. Dieses setzt sich aus dem körpereigenen Innenwiderstand von der Hautoberfläche bis zur Signalquelle und dem Übergangswiderstand an den Messelektroden zusammen, siehe Bild 3. Für das EMG Signal EMG1 eines tief liegenden Muskels 1 addieren sich die Widerstände R6 bis R9 bis zur Oberfläche zu einem offensichtlich höheren Wert als im Fall des oberflächennäheren Muskels 2 mit dem EMG Signal EMG2, dessen Strom nur durch R6 und R7 begrenzt wird und somit höher ausfällt. In jedem Fall kommt der Hautwiderstand bzw. Übergangswiderstand mit R3 und R4 begrenzend hinzu.Because the current measuring channel ideally represents a short circuit without its own internal resistance, so that the current is limited only by the internal resistance of the signal source. This is composed of the body's internal resistance from the skin surface to the signal source and the contact resistance at the measuring electrodes, see Figure 3. For the EMG signal EMG1 of a deep muscle 1, the resistors R6 to R9 add up to the surface to an obviously higher value than in the case of the nearer surface muscle 2 with the EMG signal EMG2 whose current is limited only by R6 and R7 and thus higher. In any case, the skin resistance or contact resistance with R3 and R4 limiting added.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform gemäß Unteranspruch kann der Übergangswiderstand aus R3 bis R5 vor der Messung durch kurzzeitiges Einspeisen eines schwachen Messstroms aus einer Stromquelle unterhalb jeder Gefährdungsgrenze bestimmt werden, wahlweise bei nur zwei Elektroden als klassische Widerstandsmessung oder mit weiteren Elektroden auch als genauere Vierpolmessung. Dieses Messergebnis wird dem Signalverarbeitungsprozessor DSP1 zur Subtraktion von der ermittelten Quellimpedanz zur Verfügung gestellt, um reliable Messergebnisse zu erhalten.According to a preferred embodiment, the contact resistance from R3 to R5 can be determined before the measurement by briefly feeding a weak measuring current from a power source below each hazard limit, optionally with only two electrodes as classic resistance measurement or with more electrodes as a more accurate four-terminal measurement. This measurement result is provided to the signal processing processor DSP1 for subtraction from the detected source impedance to obtain reliable measurement results.

Denn durch die Division der gemessenen Spannung im hochohmigen Fall durch den gemessenen Strom bei geschlossenen Schaltern S1, S2 kann jetzt der Signalverarbeitungsprozessor DSP1 gemäß Unteranspruch die Quellimpedanz errechnen und, nach Subtraktion des Übergangswiderstands, deren körperinternen Anteil. Bei einer vergleichbaren Entstehungsart des körpereigenen Signals wird die Quellimpedanz einen weitgehend proportionalen Bezug zur Tiefe der Signalquelle unterhalb der Hautoberfläche haben.Because by dividing the measured voltage in the high-impedance case by the measured current with closed switches S1, S2, the signal processing processor DSP1 according to the dependent claim can now calculate the source impedance and, after subtraction of the contact resistance, its internal component. In a similar generation of the body's signal, the source impedance will have a largely proportional relation to the depth of the signal source below the skin surface.

Gemäß Unteranspruch ist daher durch Korrelation mit bekannten Signalformen eines Potentials eine rechnerische Aufteilung des Signalgemischs auf verschiedene Tiefenkanäle oder eine mehrdimensionale grafische Darstellung möglich.According to subclaim is therefore possible by correlation with known waveforms of a potential computational division of the signal mixture to different depth channels or a multi-dimensional graphical representation.

In einer weiteren Ausführungsform gemäß Unteranspruch wird der Transimpedanzverstärker so durch Einsatz eines analogen Multiplizierers modifiziert, dass dieser einen weichen Übergang zwischen Spannungs- und Strommessung durch Reduktion des Kompensationsstroms und somit scheinbare kontinuierliche Erhöhung des Eingangswiderstands ermöglicht. Dies kann insbesondere bei vorhandenen Kapazitäten helfen, sprungartige Lade- bzw. Entladevorgänge und daraus resultierende Artefakte zu vermeiden. Alternativ kann gemäß weiterem Unteranspruch auch ein Satz von Strommess-Widerständen oder ein variabler Widerstand genutzt werden, allerdings ist wiederum die Verschlechterung der Rauscheigenschaften zu beachten.In a further embodiment according to the subclaim, the transimpedance amplifier is modified by using an analog multiplier such that it enables a smooth transition between voltage and current measurement by reduction of the compensation current and thus apparent continuous increase of the input resistance. This can help, especially with existing capacities, to avoid sudden charging and discharging processes and resulting artifacts. Alternatively, according to further subclaim also a set of current measuring resistors or a variable resistor can be used, but again the deterioration of the noise properties is observed.

Selbstverständlich kann die Erfindung gemäß Unteranspruch auch mit einer Vielzahl von Elektroden beispielsweise in Matrixform genutzt werden, um neben der Tiefenbestimmung weitere räumliche Dimensionen zu erfassen. In einer weiteren Form der Erfindung gemäß Unteranspruch kann dann über zusätzliche Schalter zwischen den Elektroden eine direkte Verbindung dieser und somit eine räumliche Lenkung des Messstroms durchgeführt werden. Für die Kontaktierung der Vielzahl von Elektroden kann ein anisotrop leitfähiges Gummimaterial (Leitgummi) hilfreich sein.Of course, the invention can be used according to dependent claim also with a plurality of electrodes, for example in matrix form, in order to detect in addition to the depth determination further spatial dimensions. In a further form of the invention according to the subclaim, a direct connection of the latter and thus a spatial steering of the measuring current can then be carried out via additional switches between the electrodes. For contacting the plurality of electrodes, an anisotropically conductive rubber material (conductive rubber) may be helpful.

Schließlich kann auch durch die schnelle Ausführung einer Vielzahl von Strommessungen hintereinander nach Zuschaltung des Strommesskanals die Reaktion des Übertragungsmediums im Körper auf diese schlagartige Impedanzänderung an den Elektroden bestimmt werden. Aus der Bioimpedanzanalyse zur Körperfettbestimmung ist bekannt, dass dieses Medium bedingt durch die dünnen isolierenden Zellwände die Eigenschaften eines Netzwerks aus ohmschen Widerständen und Kondensatoren hat. Dieses Netzwerk zeigt auf den Impedanzsprung eine zeitliche Variation des Stroms als Antwort, welche schneller als die Änderung des Stroms durch die Signalquelle erfolgt, aber dieser überlagert ist. Durch geeignete Filter lässt sich eine rechnerische Abtrennung der Impulsantwort zur nachfolgenden Auswertung vornehmen.Finally, the rapid execution of a plurality of current measurements in succession after connection of the current measuring channel, the reaction of the transmission medium in the body can be determined on this sudden change in impedance at the electrodes. It is known from the bioimpedance analysis for body fat determination that this medium has the properties of a network of ohmic resistors and capacitors due to the thin insulating cell walls. This network shows in response to the impedance jump a temporal variation of the current in response, which is faster than the change in the current through the signal source, but this is superimposed. Suitable filters can be used to perform a computational separation of the impulse response for subsequent evaluation.

Aus der Bioimpedanzanalyse ist bekannt, dass sich die Impulsantwort mit den Bestandteilen des Mediums und mit dem Abstand zur Quelle verändert. Das Vorgesagte gilt ebenso für eine Impulsantwort auf die Abschaltung des Strommesskanals hin, hier wird entsprechend eine Vielzahl von Spannungsmessungen vorgenommen. Beide Messungen können nacheinander durchgeführt werden und lassen sich zur Erhöhung der Messgenauigkeit miteinander kombinieren. Sinnvollerweise werden, sofern mehrere Messgeräte am Körper parallel zum Einsatz kommen, diese geeignet synchronisiert. Sofern lediglich auf die Impulsantwort bei der Messung Wert gelegt wird, kann das Messgerät geeignet vereinfacht werden, z. B. durch den Ersatz der vollständigen Strommessung durch lediglich eine elektronische Kurzschließung der Elektroden, um den Messstrom zum Fließen zu bringen, mit nachfolgender schneller Spannungsmessung nach Entfernung des Kurzschlusses.It is known from bioimpedance analysis that the impulse response varies with the constituents of the medium and with the distance to the source. The above also applies to an impulse response to the shutdown of the current measuring channel, here, a plurality of voltage measurements is made accordingly. Both measurements can be carried out one after the other and can be combined to increase the accuracy of measurement. It makes sense, if several measuring devices are used parallel to the body, these synchronized suitable. If only the impulse response during the measurement is emphasized, the meter can be suitably simplified, e.g. By replacing the full current measurement with just one electronic shorting of the electrodes to make the measuring current flow, with subsequent rapid voltage measurement after removal of the short circuit.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht bei der Messung von EMG, EKG und EEG Signalen durch die überraschende Wirkung einer zusätzlichen niederohmigen Strommessung die Gewinnung einer zusätzlichen Information zur Einordnung der gemessenen Signale insbesondere nach der Tiefe der Signalquelle unterhalb der Hautoberfläche und erlaubt somit eine wesentlich verbesserte Analyse und Zuordnung der gemessenen Signale im Rahmen der medizinischen und sportlichen Diagnostik.The present invention allows the measurement of EMG, ECG and EEG signals by the surprising effect of an additional low-impedance current measurement, the extraction of additional information for the classification of the measured signals, in particular the depth of the signal source below the skin surface and thus allows a much improved analysis and Assignment of the measured signals in the context of medical and sports diagnostics.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10353971 [0003]
DE 10353969 [0003]
EP 2090225 [0003]
US 4213466 [0003]
US 5099856 [0003]
US 5711307 [0003]
US 6965794 [0004]

Claims

Measuring device for detecting EMG, ECG or EEG signals or other electrical signals from body-internal sources of living beings, having at least two electrodes which receive at least one such signal and bring to electronic amplification for evaluation, characterized in that in addition to the high-impedance measurement The voltage at these electrodes is also a measurement of the signal current available at the electrodes is performed by at least one low-impedance circuit, which - directly or by sharing the provided for measuring the voltage measuring amplifier - measures the current between at least two electrodes, during the measurement process temporarily over at least one electrical or electronic switch or at least one electronically controllable in its impedance component is switched between at least two electrodes, that between these electrodes to be measured - fed from the internal body source - Stro m can flow.

Measuring device according to claim 1, characterized in that the temporary interconnection is carried out periodically with a frequency or a frequency spectrum above the frequency range to be measured of the body's own signal source, whereby this frequency is modulated on the at least one electrode removed signal and thus from the modulation whose depth or whose phase offset information for spatial location of the signal source or information about properties of this signal source can be obtained.

Measuring instrument according to claim 1 or 2, characterized in that by measuring the voltage and the current based on Ohm's law a computational determination of the internal resistance of the body's signal source including the signal path is made to the electrodes and optionally additionally a separation of the measured signal mixture according to different internal resistances and thus signal sources is made.

Measuring device according to claim 1 or a combination with 2 to 3, characterized in that a transimpedance amplifier or femtoampere integrator is used for current measurement.

Measuring device according to claim 1 or a combination with 2 to 4, characterized in that various circuits for current measurement with different ohmic internal resistance or reactance can be kept ready and can be connected via electrical or electronic switches for current measurement.

Measuring device according to claim 1 or a combination with 2 to 5, characterized in that the electronic connection of the current measuring circuit or choice of the internal resistance of the current measuring circuit is performed by electronic amplifiers or analog multipliers, which by introducing compensation currents at the measuring input for the electrodes, a seemingly variable input resistance simulate the current measuring circuit.

Measuring instrument according to claim 1 or a combination with 2 to 6, characterized in that a plurality of electrodes is used to allow a multidimensional spatial location of the signal source in the body by a plurality of voltage or current measurements and subsequent calculation in the context of a mathematical model ,

Measuring device according to claim 7, characterized in that a plurality of electrodes via electronic switches individually can be switched to at least one central electrical node, whereby an interconnection of the electrodes for controlling the caused by the body's signal source current flow takes place, which leads to measurable changes to adjacent electrodes.

Measuring instrument according to claim 1 or a combination with 2 to 8, characterized in that for determining the contact resistance of the electrodes to the body and body-internal resistors an additional measurement of the voltage or the current to at least two electrodes with the introduction of a weak external DC or AC measuring current on at least two identical or adjacent electrodes is made, whereby the measured contact resistance can be expected in subsequent mathematical models and calculations for location or property determination of the body's own signal source out.

Measuring device according to claim 1 or a combination with 2 to 9, or simplified measuring device according to claim 1 or a combination with 2 to 9, in which the separate evaluation of the voltage or the current measurement is dispensed with and only by a switching operation, a switching of high is carried out on low-impedance measurement at the electrodes, characterized in that the impulse response of the consisting of reactive and reactive resistances transmission medium in the body to the switching pulse of the measuring device is determined by multiple low-impedance current or high resistance voltage measurement in succession after a connection or disconnection of the current measuring channel, which for improved determination of the position of Signal source and other properties of the transmission medium can be used.