DD262324A3

DD262324A3 - Schaltungsanordnung zur Eichung von Bioimpedanzfunktionen

Info

Publication number: DD262324A3
Authority: DD
Publication date: 1988-11-30

Abstract

Die Schaltungsanordnung zur Eichung von Bioimpedanzfunktionen wird zur quantitativen Auswertung und zum Test von Bioimpedanzmessgeraeten angewendet. Die Erfindung erfolgte mit dem Ziel eine Schaltungsanordnung zu schaffen, welche exakt reproduzierbare Eichsignale mit einer guten Langzeitstabilitaet liefert. Der oekonomische Aufwand der bisher bekannten Loesungen wurde verringert. Die Impedanzaenderungen koennen in beliebiger Zeitfunktion und Amplitude innerhalb des physiologisch interessierenden Bereiches stufenlos erzeugt werden und sind nicht an den Einsatz eines Mikrorechners gebunden. Dazu wird eine an sich bekannte Modulationsstufe zwischen die Oszillatorstufe und die Stromkonstantstufe geschaltet, woraus sich ein modulierter Messstrom ergibt, welcher das zeitlich konstante passive Netzwerk zur Nachbildung der Gewebegrundimpedanz durchfliesst. Durch Umschaltung dieses passiven Netzwerkes, bzw. Aenderung des Modulationsgrades wird eine Mehrpunkteichung erreicht. Zwei weitere passive Netzwerke bilden die Haut-Elektrodenuebergangsimpedanzen der Strom- und Masseelektrode nach.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungegebiet der Erfindung

DFe Nachbildung passiver elektrischer Eigenschaften verschiedener biologischer Gewebe, insbesondere die Modellierung durchblutungsabhängiger Gewebeimpedanzen, ist für die nichtinvasive Diagnostik von Durchblutungsstörungen, sowie für die Bestimmung hämodynamischer Parameter des Herzens auf der Grundlage der Bioimpedanzmessung von großer Bedeutung. Damit ist es möglich, Geräte zur Messung von Bioimpedanzen sowohl bei der Herstellung als auch bei deren Einsatz in der klinischen Praxis zu kalibrieren und zu testen. Für spezielle Anwendungsgebiete, z. B. die Kardioimpedanzmessung, ist die Auswertung der kalibrierten differenzierten Bioimpedanzfunktion von großer Bedeutung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Nach DD-PS 139086 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, die es ermöglicht, statische und periodische Widerstandsänderungen im physiologisch interessierenden Bereich zu erzeugen. Das Prinzip besteht darin, daß eine Parallelschaltung aus Optokoppler, ohmschem Widerstand und Kapazität mit einer optischen Signalquelle angesteuert wird.

Der Nachteil¹ dieser Anordnung besteht in der unbekannten Übertragungskennlinie, die von Parametern abhängt, welche vom Hersteller der Bauelemente nur teilweise oder gar nicht garantiert werden. Ohne Ermittlung dieser Übertragungskennlinie ist eine Kalibrierung mitteis dieser Schaltungsanordnung nicht möglich. Des weiteren ist diese Kennlinie stark parameterabhängig, z.B. von der Temperatur, vom Alterund den vorangegangenen Betriebsverhältnissen.

In DD-PS 154064 wird die in DD-PS 139086 vorgestellte Anordnung durch drei andere jeweils wahlweise in Reihe zu schaltende passive Netzwerke erweitert, die jeweils eine zuvor eingestellte konstante Grundimpedanz modellieren. Dazu in Reihe befinden sich noch zwei weitere passive Netzwerke, die durch entsprechende Steuerung eines angeschlossenen Programmzeitgebers eine rechteckförmige ohmsche oder kapazitive Impedanzänderung erzeugen können.

Da in dieser Anordnung die Schaltung von DD-PS 139086 integriert wurde, beinhaltet sie auch alle Nachteile von DD-PS 139086.

Mittels der zusätzlichen zu DD-PS 139086 angeordneten passiven Netzwerke, ist nur eine Kalibrierung in zwei diskreten Punkten möglich.

Nach DD-PS 234363 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, welche das Kalibriersignal mit Hilfe eines Widerstands-Schalternetzwerkes erzeugt, das durch eine Steuerlogik mittels binärer Signale geschaltet wird. Diese Anordnung besitzt den Nachteil, daß beliebige Kurvenformen nur in bestimmten diskreten Stufen erzeugt werden können. Der Aufwand bezüglich des Widerstandsnetzwerkes steigt mit den Anforderungen an die Feinheit dieser Stufen. Des weiteren ist für die Erzeugung der binären Signale eine aufwendige Steuereinrichtung bzw. der Anschluß an einen Mikrorechner notwendig.

Die in DD-PS 107587 und DD-PS 139518 vorgestellten Anordnungen zur Messung der Bioimpedanzfunktion beinhalten ein elektronisches Modell zur Nachbildung der Gewebegrundimpedanz. Dieses Modell ist zur Kompensation des Einflusses der Gewebegrundimpedanz und damit zur Messung der pulssynchronen Impedanzänderung nach dem verwendeten Prinzip notwendig. Es kann aber in dieser Art nicht zur Kalibrierung des Impedanzmeßgerätes eingesetzt werden.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung erfolgte mit dem Ziel, eine Schaltungsanordnung, insbesondere zur Kalibrierung von Bioimpedanzmeßgeräten, zu schaffen, welche fest in das Bioimpedanzmeßgerät integriert werden kann. Die Kalibrierungssignale sollten exakt reproduzierbar sein und eine gute Langzeitstabilität aufweisen, um ohne aufwendige Neueinstellungen über längere Zeiträume eine hohe Genauigkeit bei der Auswertung der Bioimpedanzfunktion und deren 1. Ableitung zu erzielen. Dabei soll die Übertragungskennlinie der Schaltungsanordnung bekannt sein, und ihre Parameterabhängigkeit darf die Kalibrierfunktion nicht beeinflussen. Gleichzeitig soll eine Vereinfachung der bisher bekannten Schaltungsanordnung erreicht werden, um den ökonomischen Aufwand besonders in bezug auf eine industrielle Fertigung, zu senken. Die Testung und Kalibrierung bei der Erfassung von Bioimpedanzfunktionen sowie deren 1. Ableitung muß auch ohne Einsatz eines Mikrorechners möglich sein.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, stufenlose Impedanzänderungen im physiologisch interessierenden Bereich zu simulieren, welche nicht an den Einsatz eines Mikrorechners gebunden und in der Form sein sollen, daß sie auch nach der Differenzierung ausgewertet werden können. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß einem Oszillator eine durch einen Funktionsgenerator angesteuerte an sich bekannte Modulationsstufe nachgeschaltet ist, an deren Ausgang sich eine Stromkonstantstufe befindet. In Reihe folgen mindestens drei bekannte Netzwerke, sowie ein ohmscher Widerstand. Für den Anschluß von vier am biologischen Gewebe plazierten Elektroden existieren vier Eingangsbuchsen und zwei Ausgangsbuchsen.

Während der Kalibrierung wird das biologische Gewebe mittels drei Umschaltern bzw. je zwei Schaltern vom Strom weg getrennt und stattdessen die drei passiven Netzwerke in den Signalweg geschaltet, sowie ein Schalterzwischen Funktionsgenerator und Modulationsstufe geschlossen. Damit wird durch die Modulation der Steuerspannung für die Stromkonstantstufe mit der gewünschten Kalibriersignalform die benötigte, modulierte Konstantstromeinspeisung in die passiven Netzwerke realisiert. Über dem passiven Netzwerk, welches den Gewebegrundwiderstand simuliert, wird eine Spannungsänderung analog zur pulssynchronen Bioimpedanzänderung des Gewebes erzeugt.

Diese definierte Änderung kann als Kalibriersignal weiter verarbeitet werden. Durch eine Parallelschaltung weiterer passiver Netzwerke bzw. die Wahl verschiedener Modulationsgrade der Oszillatorspannung wird eine Mehrpunktkalibrierung zur Erhöhung der Meßgenauigkeit ermöglicht. Die Nachbildung der Haut-Elektrodehübergangswiderstände wird durch die beiden anderen passiven Netzwerke, die in Reihe mit den Elektrodenanschlüssen liegen und in ihren Parametern umschaltbar sind, realisiert.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dazu zeigt Fig. 1 das Blockschaltbild der Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Kalibriersignalen für die Bioimpedanzfunktion.

Entsprechend dem an sich bekannten Elektrodensystem zur Messung von Bioimpedanzen werden maximal vier Elektroden eingesetzt, wobei die Buchse Bu 1 mit der Stromelektrode, die Buchse Bu 2 mit der Meßelektrode I, die Buchse Bu 3 mit der Meßelektrode Il und die Buchse Bu 4 mit der Masseelektrode verbunden wird, welche auch während der Kalibrierung am entsprechenden Gewebeabschnitt verbleiben können. Das passive Netzwerk NW1 bildet den Haut-Elektrodenübergangswiderstand der Stromelektrode und das passive Netzwerk NW3 den der Masseelektrode nach. Die Haut-Elektrodenübergangswiderstände der Meßelektroden werden infolge des hohen Eingangswiderstandes des an den Buchsen Bu 5 und Bu 6 angeschlossenen Meßverstärkersystems vernachlässigt. Das passive Netzwerk NW2a bzw. bei entsprechender Stellung der Schalter S5 und S6eine Kombination der passiven Netzwerke NW2a und NW2b modellieren den Gewebegrundwiderstand. Der Widerstand R1 stellt den bekannten ohmschen Widerstand zur definierten Bestimmung der Phasenlage von Meßstrom und Spannung dar. Der Oszillator OSZ erzeugt die entsprechende Frequenz für den Meßstrom zur Ableitung der Bioimpedanzfunktion und die Stromkonstantstufe Stkst generiert in Abhängigkeit von der Oszillatorspannung den Meßstrom mit konstanter Amplitude.

Bei der Stellung 2 der Umschalter S1 bis S3 und geöffnetem Schalter S4 erfolgt keine Modulation der Oszillatorspannung, und die Bioimpedanzfunktion kann an einem beliebigen Gewebeabschnitt abgeleitet werden. Die Kalibrierung erfolgt bei Stellung 1 der Umschalter S1 bis S3 und geschlossenem Schalter S4, womit das biologische Gewebe vom Meßzweig abgeschaltet ist und sich das Phantom, bestehend aus den passiven Netzwerken NW1 bis NW3, im Signalweg befindet. Der Funktionsgenerator FG erzeugt die für das Kalibriersignal gewünschte Zeitfunktion und Amplitude, z.B. ein 2Hz Dreieckssignal. Diese wird mittels der Modulationsstufe MOD auf die Oszillatorfrequenz aufmoduliert, und die Stromkonstantstufe Stkst liefert einen modulierten Meßstrom. Somit ergibt sich über dem passiven Netzwerk NW2, d.h. zwischen den Buchsen Bu 5 und Bu 6, eine Meßspannung, welche einen Gleichanteil und eine sich ändernde Komponente aufweist, die jeweils in der Größenordnung des Spannungsabfalls der Gewebegrundimpedanz bzw. deren physiologischer Änderungen liegen. Für eine Zweipunktkalibrierung kann z. B. der Modulationsgrad durch eine Umschaltung im Funktionsgenerator FG geändert werden. Im speziellen Fall der Kardioimpedanzmessung ist das passive Netzwerk NW2a für den physiologischen Bereich der Gewebegrundimpedanz des Thorax ausgelegt und das passive Netzwerk NW2b kann für die bekannte Rechteckkalibrierung ohne Einsatz der Modulation verwendet werden. Das durch die Modulation erzeugte Kalibriersignal ist stufenlos und in der Form, daß es auch nach der Differenzierung, speziell bei der Kardioimpedanzfunktion, ausgewertet werden kann.

In Betracht gezogene Druckschriften:

DD-PS 107587 (A61 B 5/04) DD-PS 139518 (A61 B 5/02) DD-PS 234363 (A61 B 5/00)

Claims

Patentansprüche:

Schaltungsanordnung, insbesondere zur Kalibrierung von Bioimpedanzmeßgeräten, wobei einem Oszillator eine Stromkonstantstufe nachgeschaltet ist, wonach in Reihe drei passive Netzwerke und ein ohmscher Widerstand folgen, wobei sich zwischen der Stromkonstantstufe und dem ersten passiven Netzwerk die durch einen Umschalter getrennte Anschlußbuchse der Stromelektrode, zwischen den ersten passiven Netzwerk und dem zweiten passiven Netzwerk, die durch einen Umschalter getrennte Anschlußbuchse der Stromelektrode, zwischen dem ersten passiven Netzwerk und dem zweiten passiven Netzwerk, die durch einen Umschalter getrennte Anschlußbuchse der Meßelektrode bzw. die Anschlußbuchse, zwischen dem zweiten passiven Netzwerk und dem dritten passiven Netzwerk, die durch einen Umschalter getrennte Anschlußbuchse zwischen dem dritten passiven Netzwerk und dem ohmschen Widerstand die Anschlußbuchse der Masseelektrode und in Reihe zum zweiten passiven Netzwerk zwei Schalter befinden, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen dem Oszillator (OSZ) urrd der Stromkonstantstufe (Stkst) eine durch einen Funktionsgenerator (FG) angesteuerte Modulationsstufe (MOD) geschaltet ist, wobei sich zwischen dem Funktionsgenerator (FG) und der Modulationsstufe (MOD) der Schalter (S4) befindet.