DE9206352U1

DE9206352U1 - Electrode device for signal derivation

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Publication number: DE9206352U1
Application number: DE9206352U
Authority: DE
Original assignee: Kitzenmaier Peter Dipl-Ing 1000 Berlin De
Current assignee: Kitzenmaier Peter Dipl-Ing 1000 Berlin De
Priority date: 1992-05-12
Filing date: 1992-05-12
Publication date: 1992-08-13
Anticipated expiration: 2002-05-13

Description

ELEKTRODENVORRICHTUG FÜR DIE SIGNAEAOIiEITUNG' " "'ELECTRODE DEVICE FOR SIGNAL TRANSMISSION' " "'

Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Elektrodenvorrichtung für die Signalableitung, insbesondere eine verbesserte Elektrodenvorrichtung für die Messung von bioelektrischen Signalen an der Hautoberfläche.The present invention relates to an improved electrode device for signal derivation, in particular to an improved electrode device for measuring bioelectrical signals on the skin surface.

Bekanntlich werden bioelektrische Signale im Rahmen diverser klinischen Untersuchungsmethoden wie z.B. Elektromyogramm (EMG), Elektroencephalogramm (EEG) oder Elektrokardiogramm (EKG) verwendet. Ferner können die bioelektrischen Signale auch zur Ansteuerung der Myoprothesen eingesetzt werden. Die Messung der bioelektrischen Signale erfolgt mit an der Hautoberfläche angeordneten Oberflächenelektroden, wobei die Elektroden die bioelektrische Signale der Muskeln ableiten.As is well known, bioelectrical signals are used in various clinical examination methods such as electromyogram (EMG), electroencephalogram (EEG) or electrocardiogram (ECG). Furthermore, the bioelectrical signals can also be used to control myoprostheses. The bioelectrical signals are measured using surface electrodes arranged on the surface of the skin, whereby the electrodes derive the bioelectrical signals from the muscles.

Bisher wurden für die Ableitung bioelektrischer Signale entweder Klebeelektroden oder Elektroden mit integriertem Verstärker verwendet. Eine bekannte Klebeelektrode ist in Figur 2 dargestellt. Die bekannte Klebeelektrode weist eine Klebefolie K mit einer Gelkammer G auf. Die Gelkammer weist ihrerseits einen Silberkontakt Ag auf, der über die Zuleitung Z mit einer externen Meß- und Auswertevorrichtung verbunden ist.To date, either adhesive electrodes or electrodes with integrated amplifiers have been used to derive bioelectrical signals. A known adhesive electrode is shown in Figure 2. The known adhesive electrode has an adhesive film K with a gel chamber G. The gel chamber in turn has a silver contact Ag, which is connected to an external measuring and evaluation device via the supply line Z.

Da sich die bioelektrischen Signale im Bereich von einigen &mgr;&ngr; bis mV bewegen, ist wegen der fehlenden Abschirmung der bekannten Klebeelektrode eine ungestörte Signalableitung ohne sich überlagernde Störspannungen problematisch. Störspannungen werden induktiv oder kapazitiv in das Gewebe, respektive die Haut eingekoppelt, führen zu einem Stromfluß entlang der Elektroden und erzeugen ein sich überlagerndes Störsignal. Dasselbe gilt für elektromagnetische Wellen, die sich eher oberflächlich ausbreiten (Skin Effekt).Since the bioelectric signals range from a few μV to mV, undisturbed signal derivation without superimposed interference voltages is problematic due to the lack of shielding of the known adhesive electrode. Interference voltages are coupled inductively or capacitively into the tissue or skin, leading to a current flow along the electrodes and generating an overlapping interference signal. The same applies to electromagnetic waves, which tend to spread more superficially (skin effect).

Eine verbesserte Störsignalunterdrückung weist die bipolare Elektrode mit integriertem Verstärker auf. Eine herkömmliche bipolare Verstärkerelektrode ist in den Figuren 3a und 3b dargestellt. Die Verstärkerelektrode ist mit einem integrierten Instrumentenverstärkerschaltung V ausgestattet wel-The bipolar electrode with integrated amplifier has improved interference signal suppression. A conventional bipolar amplifier electrode is shown in Figures 3a and 3b. The amplifier electrode is equipped with an integrated instrument amplifier circuit V which

ehe mit Meß- bzw. Ableitelektroden■<Ei und- E^" verbündet ist, wobei diese Elektroden die bioelektrischen Spannungen von der Hautoberfläche ableiten. Zur Herstellung eines Bezugspotentials (Masse) zwischen menschlichem Gewebe und elektronischer Schaltung sind die zwei separaten aber miteinander verbundenen Elektroden Esi und Es2 vorgesehen.before being connected to measuring or recording electrodes<Ei and E^", whereby these electrodes derive the bioelectrical voltages from the surface of the skin. The two separate but interconnected electrodes Esi and Es2 are provided to create a reference potential (ground) between human tissue and electronic circuitry.

Das Störsignalverhalten der bekannten Verstärkerelektrode ist in Figur 4 gezeigt. Fließt ein Störstrom Is entlang der Haut zwischen den Ableitelektroden Ei und E2, so entsteht wegen der unzureichenden Abschirmung gemäß dem Ohmschen Gesetz zwischen den Ableitelektroden eine Störspannung 5U, die als Überlagerung mitgemessen wird. Entsprechend kann in einer elektromagnetisch stark belastete Umgebung eine Störspannung entstehen, die um Zehnerpotenzen das Nutzsignal übersteigt.The interference signal behavior of the known amplifier electrode is shown in Figure 4. If an interference current Is flows along the skin between the discharge electrodes Ei and E2, an interference voltage 5U is generated between the discharge electrodes due to the inadequate shielding according to Ohm's law, which is measured as a superposition. Accordingly, in an environment with a high level of electromagnetic pollution, an interference voltage can be generated that exceeds the useful signal by orders of magnitude.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Vermeidung der vorgenannten Nachteile und die Schaffung einer Elektrodenvorrichtung für die Signalableitung, insbesondere für die Biosignalableitung bei der die Ableitelektroden möglichst vollständig vor elektromagnetischen Störungen abgeschirmt sind.The object of the invention is therefore to avoid the aforementioned disadvantages and to create an electrode device for signal derivation, in particular for biosignal derivation in which the derivation electrodes are as completely shielded as possible from electromagnetic interference.

Diese und weitere, der folgenden Beschreibung deutlich entnehmbare Aufgaben werden mit der erfindungsgemäßen Elektrodenvorrichtung für die Signalableitung gemäß den anliegenden Ansprüchen gelöst.These and other objects, which can be clearly seen from the following description, are achieved with the electrode device according to the invention for signal derivation in accordance with the appended claims.

Weitere Merkmale und Vorteile sind deutlicher der folgenden Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Elektrodenvorrichtung für die Signalableitung, insbesondere für die Biosignalableitung, unter Hinweis auf beiliegenden Zeichnungen zu entnehmen.Further features and advantages can be seen more clearly from the following description of two embodiments of the electrode device according to the invention for signal derivation, in particular for biosignal derivation, with reference to the accompanying drawings.

Dabei zeigen:Showing:

Figur 1 eine erste Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen
Elektrodenvorrichtung;Figure 1 shows a first embodiment of the inventive
electrode device;

Figur 2 die schematische Darstellung einer bekanntenFigure 2 shows the schematic representation of a known

Klebeelektrode mit Silberkontakt Ag, Gelkammer G
und Klebefläche K;Adhesive electrode with silver contact Ag, gel chamber G
and adhesive surface K;

Figur 3a und 3b eine herkömmliche bipolare Verstärkerelektrode mit Seitenansicht von unten;Figures 3a and 3b show a conventional bipolar amplifier electrode with a side view from below;

Figur 4 den Störstrom entlang der Ableitelektroden der
herkömmlichen bipolaren Verstärkerelektrode;Figure 4 shows the interference current along the discharge electrodes of the
conventional bipolar amplifier electrode;

Figur 5 einen Schnitt durch die Elektrodenvorrichtung
entsprechend der ersten Ausführungsform;Figure 5 shows a section through the electrode device
according to the first embodiment;

Figur 6 die Stromableitung entlang der Schirmelektrode der
Elektrodenvorrichtung entsprechend der ersten
Ausführungsform ;Figure 6 the current discharge along the shield electrode of the
Electrode device according to the first
embodiment;

Figur 7 eine weitere Ausführungsform der Elektrodenvorrichtung mit zusätzlicher, weiterer
Ringelektrode Esrz '< Figure 7 shows a further embodiment of the electrode device with additional, further
Ring electrode Esrz '<

Figur 8 einen Schnitt durch die Elektrodenvorrichtung
entsprechend der weiteren Ausführungsform;Figure 8 shows a section through the electrode device
according to the further embodiment;

Figur 9 Instrumentenverstärkerschaltung zur Verstärkung der
BiosignaleFigure 9 Instrument amplifier circuit for amplifying the
Biosignals

Gemäß Figuren l und 5 weist die Elektrodenvorrichtung eine erste und eine zweite Meßelektrode auf die mit Ei bzw. E2
gekennzeichnet sind. Die Meßelektroden sind unmittelbar an der zu messenden Hautoberfläche angeordnet. Die Meßelektroden können als differente Ableitelektroden ausgebildet werden. Solche differenten Ableitelektroden sind bekannt und entsprechen den Ableitelektroden der herkömmlichen bipolaren Verstärkerelektrode. Obwohl in den Figuren 1 und 5 jeweils zwei Meßelektroden dargestellt sind, kann die Anzahl dieser je nach Bedarf variiert werden.According to Figures 1 and 5, the electrode device comprises a first and a second measuring electrode, which are labelled Ei and E2, respectively.
The measuring electrodes are arranged directly on the skin surface to be measured. The measuring electrodes can be designed as different recording electrodes. Such different recording electrodes are known and correspond to the recording electrodes of the conventional bipolar amplifier electrode. Although two measuring electrodes are shown in Figures 1 and 5, the number of these can be varied as required.

Eine Ringelektrode Esr, welche auch unmittelbar an die Hautoberfläche angebracht wird, umschließt die beidenA ring electrode Esr, which is also attached directly to the skin surface, encloses the two

Meßelektroden Ei und E2. Die Ringelektrode Esr ist ferner an das elektrisch leitende Gehäuse G (und somit an die Masse) eines Verstärkers V gekoppelt. Diese Ringelektrode Esr schirmt die Meßelektroden Ei und E2 vor niederfrequenten und hochfrequenten Signalen ab und stellt gleichzeitig die Bezugselektrode der Elektrodenvorrichtung dar. Die Ansteuerung der Ringelektrode Esr auf ein definiertes Potentialniveau erfolgt in konventioneller Weise.Measuring electrodes Ei and E2. The ring electrode Esr is also coupled to the electrically conductive housing G (and thus to ground) of an amplifier V. This ring electrode Esr shields the measuring electrodes Ei and E2 from low-frequency and high-frequency signals and at the same time represents the reference electrode of the electrode device. The control of the ring electrode Esr to a defined potential level takes place in a conventional manner.

Als Verstärker V kann z.B. die in Figur 9 gezeigte Schaltung verwendet werden. Diese Schaltung besteht aus einer ersten Stufe welche die Signale der Ableitelektroden Ei und E2 hochohmig verstärkt und aus einer zweiten Stufe die die hochohmig verstärkten Signale zu einer Differenzspannung U_aus verarbeitet. Die Masse des Verstärkers V ist über das Gehäuse G an die Ringelektrode Esr gekoppelt. Obwohl in der Ausführungsform entsprechend den Figuren 1 und 5 Verstärker und Elektrodenvorrichtung einstückig ausgebildet sind, können diese selbstverständlich voneinander getrennt sein.The circuit shown in Figure 9 can be used as amplifier V. This circuit consists of a first stage which amplifies the signals of the reference electrodes Ei and E2 to a high impedance and a second stage which processes the high impedance amplified signals to a differential voltage U _out . The ground of the amplifier V is coupled to the ring electrode Esr via the housing G. Although in the embodiment according to Figures 1 and 5 the amplifier and electrode device are formed as one piece, they can of course be separated from each other.

Die Ringelektrode Esr in Verbindung mit dem Verstärkergehäuse G schirmt besonders gut von elektromagnetischen Wellen ab und reduziert desweiteren den Einfluß oberflächlicher Ströme an der Hautoberfläche. Da der elektrische Strom den Weg des geringsten Widerstandes verfolgt, erfolgt der Stromfluß Is hauptsächlich über die in Figur 6 eingezeichneten Linien.The ring electrode Esr in conjunction with the amplifier housing G provides particularly good shielding against electromagnetic waves and also reduces the influence of superficial currents on the surface of the skin. Since the electric current follows the path of least resistance, the current flow Is mainly occurs via the lines shown in Figure 6.

Die Figuren 7 und 8 zeigen eine weitere verbesserte Ausführungsform der Elektrodenvorrichtung. Die Ringelektrode Esr ist durch eine zusätzliche größere Ringelektrode Esrz ^er~ gänzt, wobei die zusätzliche Ringelektrode Esr_z sowohl die differenten Ableitelektroden Ei und E2 als auch die Ringelektrode Esr komplett umschließt. Ferner ist die zusätzliche Ringelektrode Esrz» iⁿ analoger Weise mit der Ringelektrode Esr, mit dem Verstärkergehäuse G elektrisch gekoppelt. Die zusätzliche Ringelektrode Esrz vergrößert den Effekt der Schirmung.Figures 7 and 8 show a further improved embodiment of the electrode device. The ring electrode Esr is ^supplemented by an additional larger ring electrode Esrz, whereby the additional ring electrode Esr _z completely encloses both the different discharge electrodes Ei and E2 and the ring electrode Esr. Furthermore, the additional ring electrode Esrz» is electrically coupled in ^an analogous manner to the ring electrode Esr, to the amplifier housing G. The additional ring electrode Esrz increases the shielding effect.

Die Erfindung kann in vieler Hinsicht abgeändert werden, ohne dadurch ihren Rahmen zu überschreiten. So kann beispiels-The invention can be modified in many ways without exceeding its scope. For example,

weise die Anzahl der zusatz&Ggr;&khgr;&sgr;&&egr;&eegr; Ringe leift roden in Abhängigkeit von dem erforderlichen Abschirmeffekts erhöht werden.The number of additional rings can be increased depending on the required shielding effect.

Weiters können gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, welche sich in ihrem Grundgedanken an die oben beschriebenen Ausführungsformen anschließt, je nach Erfordernis, statt der zwei beschriebenen Meßelektroden, eine oder mehrere Meßelektroden im inneren der Ringelektrode ^ESR versehen werden.Furthermore, according to a further embodiment of the invention, which in its basic idea follows the embodiments described above, depending on the requirements, one or more measuring electrodes can be provided inside the ring electrode ^E SR instead of the two measuring electrodes described.

Alle konstruktiven Teile können durch andere technisch äquivalente Teile ersetzt werden und die angewendeten Materialien, Abmessungen und Formen beliebig gewählt werden.All structural parts can be replaced by other technically equivalent parts and the materials, dimensions and shapes used can be freely chosen.

Claims

Claims: »'.<■■-

1. Electrode device for signal derivation, in particular for biosignal derivation, consisting of at least one measuring electrode (Ei) and at least one further electrode (Esr) / characterized in that the further electrode (Esr) is designed such that it shields the measuring electrode (Ei) from interference signals.

2. Electrode device according to claim 1, characterized in that the further electrode is designed as a ring electrode (Esr) and encloses the measuring electrode (Ei).

3. Electrode device according to claim 1 or 2, characterized in that the measuring electrode (Ei) is a differential lead electrode.

4. Electrode device according to one of the preceding claims, characterized in that two or more different discharge electrodes (Ei, E2) are provided as measuring electrodes.

5. Electrode device according to one of claims 2-4, characterized in that the ring electrode (Esr) is the reference electrode of the electrode device.

6. Electrode device according to one of the preceding claims, characterized in that the electrode device has an amplifier (V), to the ground of which the ring electrode (Esr) is coupled.

7. Electrode device according to one of claims 2-6, characterized in that at least one further ring electrode (Esrz) is arranged ^around the ring electrode (Esr).

8. Electrode device for measuring bioelectrical signals on the skin surface, consisting of at least one reference electrode (Esr)/ at least one recording electrode (Ei) and an amplifier (V), characterized in that

the reference electrode (Esr) encloses the reference electrode (�E) in a ring shape and is coupled to the ground of the amplifier, the ring electrode (Esr) being designed in such a way that it shields the reference electrode (�E) from interference signals.