DK147843B - Apparat til maaling af bioelektrisk aktivitet - Google Patents

Description

147843

Opfindelsen angår et apparat til måling af den bioelektriske aktivitet i centralnervesystemet med en på hovedet af en patient pålagt signalelektrode, flere rumligt fordelte hjælpeelektroder og et registreringsapparat, og med organer til dannelse af en potentialmiddelværdi af hjælpeelektrodernes potentialer og tilførsel af differencen mellem denne potentialmiddelværdi og signalelektrodens potential til registreringsapparatet.

Ved kendte apparater af denne art måles fx. signaler fra det centrale nervesystem, hvor et apparat anvender flere fx. på kraniet ifølge en international standard anbragte elektroder (elektroencephalografi, EEG) eller flere elektroder, som er anbragt på den blotlagte storhjernebark eller på hjernehuden (elek-trocortigrafi, ECoG). Nervecellernes og det omgivende mediums elektriske aktivitet bestemmes under elektroderne som tilsvarende potentialændringer. Til elektroderne er der i begge tilfælde tilkoblet forstærkere og registreringsanordninger.

- 2 - 147843

Apparaterne kan opdeles efter deres arbejdsmåde i bipolære apparater eller unipolære apparater. Ved bipolære apparater ledes der til forstærkerindgangene differensspændinger, som bestemmes parvis mellem elektroderne. Ved unipolære apparater bestemmes differensspændingerne mellem flere elektroder og et for disse elektroder fælles referencepunkt. Dette referencepunkt kan være en fysisk elektrode eller fx. midtpunktet i en modstandsstjernekobling, som med samme modstandsværdi er tilsluttet samtlige elektroder, eventuelt med undtagelse af de elektroder, hvis signaler erfaringsmæssigt ville forfalske måleresultatet, fordi de fx· forårsagedes af muskelaktivitet. Ulemperne ved sådanne apparater består i, at hver målt spænding, er differensen mellem to elektrodepotentialer, således at der altså ikke sker en selektiv registrering af enhver elektrodepotentialæn-dring. Som følge heraf er det ikke muligt nøjagtigt at lokalisere den cerebrale bioelektriske aktivitet.

De to apparattyper er endvidere behæftet med den usikkerhedsfaktor, at elektrodepotentialerne er sammensat af en elektrisk aktivitet hidrørende fra både det direkte nedenunder liggende cerebrale væv og fra elektrisk aktivitet hidrørende fra tilgrænsende områder, hvilke elektriske aktiviteter er ledt ud til kraniets yderside. De kendte apparater beskrives nærmere i tilslutning til fig.

1-3.

Til grund for opfindelsen ligger den opgave at tilvejebringe et apparat af den indledningsvis angivne art, hvormed det på enkel måde er muligt at konstatere den under en måleelektrode foreliggende lokale elektriske aktivitet.

Denne opgave løses ifølge opfindelsen ved, at der som hjælpeelektroder udelukkende er anvendt elektroder, som er anbragt i nærheden af signalelektroden, at hjælpeelektroderne danner hjørnerne i en polygon, i hvilken signalelektroden er anbragt, eventuelt ved et hjørne, og at middelværdidannelsesorganerne er indrettet til at sammenfatte potentialet af alle rumligt omkring signalelektroden fordelte hjælpeelektroder i en vægtet potentialmiddelværdi, idet vægtfaktoren for den pågældende hjælpeelektrode afhænger af afstanden mellem den pågældende hjælpeelektrode og signalelektroden.

Yderligere fordele og enkelheder ifølge opfindelsen beskrives nærmere i det følgende under henvisning til på fig. 4-14 viste udførelseseksempler samt til Underkravene. På tegningen viser: fig. 1-3 en skematisk gengivelse til forklaring af kendte apparater, fig. 4 et elektrodearrangement ifølge opfindelsen, fig. 5-8 potentialforløbene langs linien Il-il på fig. 4, fig. 9 følsomhedsfordelingen ved elektrodearrangementet ifølge fig.

- 3 - 147843 4 set ovenfra, fig. 10 et udførelseseksempel for et elektrodearrangement ifølge op findelsen, fig. 11 en yderligere udformning af et elektrodearrangement ifølge opfindelsen, fig. 12 det på fig. 11 viste elektrodearrangement set fra siden, fig. 13 et elektrisk koblingsdiagram af et eletrodearrangement ifølge opfindelsen, og fig. 14 et derligere elektrisk koblingsdiagram af et elektrodearran gement ifølge opfindelsen.

På fig. 1 illustreres et bipolært apparat. På en patient 1's kranium er der symmetrisk anbragt 10 elektroder 2 - 11. Til forstærkerindgangene på forstærkerne A2 - A9, som hører til elektroderne 2 - 11 føres der parvis potentialdifferenser, som forekommer mellem de pågældende elektroder. Differensspændingerne føres efter forstærkning til skriverne 12 - 19, fx. blækstråleskrivere ifølge DE-patentskrift 821.065.

På fig. 2 illustreres et unipolært apparat. På en patient 1's kranium er der symmetrisk anbragt tolv elektroder 20 - 31. Elektroderne 20 - 29 er tilsluttet den ene indgang på tilhørende forstærkere A20 - A29. Til den anden indgang på forstærkerne A20 - A24 tilsluttes elektroden 30 og til den anden indgang på forstærkerne A25 - A29 tilsluttes elektroden 31. Herved ledes der altså fem potentialer til forstærkerne A20 - A24 ved hjælp af elektroderne 20 - 24, med elektroden 30's potential som referencepotential, og på samme måde ledes fem potentialer til forstærkerne A25 - A29 ved hjælp af elektroderne 25 - 29 med elektroden 31's potential som referencepotential. Forstærkerne A20 - A29 leder differensspændingerne mellem elektroderne 20 - 24's potentialer og referenceelektroden 30's potential og differensspændingerne mellem elektroderne 25 -29's potentialer og referenceelektroden 31's potential videre til blækstråleskrivere 32 - 41.

Fig. 3 viser et yderligere unipolært apparat. Der er her symmetrisk anbragt tolv elektroder 42 - 53, som hver er forbundet med en indgang til forstærkere A42 - A53. Til otte elektroder 43, 44, 46, 47, 48, 49, 51, 52 er der tilsluttet lige store modstande 54 - 61, hvis ene ende er koblet sammen i et fælles midtpunkt 62 (referencepunkt). Samtlige tolv fforstærkere A42 - A53 er med deres anden indgang tilsluttet punktet 62. For de fire elektroder 42, 45, 50, 53's vedkommende antages det, at de mere end de øvrige elektroder registrerer potentialer af ikke cerebral art (fx. muskelaktivitet) og de er derfor ikke tilslut- - 4 - 147843 tet modstandsstjernekoblingen. Hver af forstærkerne A42 - A53 måler differensen mellem et elektrodepotential og et middelværdipotential. Dif ferens spændingerne ledes med henblik på registrering til blækstråleskrivere 63 - 74. Middelværdipotentialet udgør 1/8 af elektrodepotentialernes sum under elektroderne 43/ 44, 46 - 49, 51 og 52. Når middelværdipotentialet i referencepunktet 62 er lig med eller er større end de enkelte elektrodepotentialer, kan de enkelte elektrodepotentialer ikke bestemmes. Dette kan være tilfældet, når nogle af elektrodepotentialerne er væsentligt større end de øvrige, fordi resultatet i punkt 62 da væsentligt bestemmes af disse elektrodepotentialer.

På fig. 4 er den egentlige måleelektrode (signalelektrode) betegnet med 79, hvis potential skal måles, medens hjælpeelektroderne er betegnet med 75 - 78. Hjælpeelektroderne er således anbragt, at de danner en regelmæssig polygon (fx. kvadrat), hvorved signalelektroden 79 ligger i polygonens centrum. Under elektroderne 75 - 79 findes potentialer - V^. Med apparatet ifølge opfindelsen dannes der følgende differensspænding: v2+v3 + v4+v5 V1 --i--

Denne differensspasnding er stærkt påvirket af potentialerne, som opstår inden for den flade, som er begrænset af hjælpeelektroderne 75, 76, 77, 78.

For at forstå den rumlige afgrænsning af følsomhedsfordelingen henvises der til fig. 5-8, som fx. viser forskellige potentialudbredelser under linien II-XI på fig. 4. For at forenkle beregningen antages det, at potentialet falder som en lineær funktion i det plan, der forløber gennem elektroderne 75, 77, 79, og strækker sig vinkelret på patientens legemsoverflade. Den ifølge opfindelsen dannede differensspænding: v2 + V4 V. - --- 1 2 er størst (100%) når potentialfeltets centrum (potentialcentrum) befinder sig i dette plan nøjagtigt under signalelektroden 79 (fig. 5). Spændingen falder til halvdelen (50%), når potentialcentret befinder sig midt mellem signalelektroden 79 og hjælpeelektroden 77 (fig. 6) og er nul, når potentialcentret befinder sig under en hjælpeelektrode eller uden for den af hjælpeelektroderne bestemte polygon (fig. 7 og 8). I virkeligheden falder potentialet langs kraniet mere som en exponentialfunktion, hvis exponent kun har ringe indflydelse på nøjagtigheden af bestemmelsen af det søgte potential, men ikke har nogen afgørende betydning for - 5 - 147843 det væsentlige ifølge opfindelsen.

Til grund for fig. 9, hvor 79 er signalelektroden og 75 - 78 er hjælpeelektroderne, ligger den antagelse, at det bioelektriske potentials dæmpningsexpo-nent er størrelsesmæssigt således, at halwsrdiaf standen er lig med afstanden 80 mellem signalelektroden 79 og hjælpeelektroden 77. Med halwærdiafstanden menes der hermed afstanden mellem to punkter, der er radialt fjernet fra potentialcentret, og mellem hvilke potentialet falder til halvdelen. Ved andre halwasrdiafstande ændres en af de i det følgende beskrevne niveaulinier, men princippet bevares. Henvisningsbetegnelsen 81 - 85 betegner niveaulinier med følgende betydning. Når det bioelektriske potentialcentrum, som skal bestemmes, befinder sig på niveaulinien 81, dvs. nøjagtigt under signalelektroden 79, fås differensspændingen : V, + V, + V, + v5 V. - —---Z-- summen er 100%.

1 4 Når potentialcentret befinder sig på niveaulinie 82 har differensspændingen summen 50%, og når potentialcentret befinder sig på niveaulinie 84 er differensspændingen nul, og den forbliver også tæt ved nul, når potentialcentret ligger langt uden for niveaulinien 84. Differensspændingen har summen -1% for et potentialcentrum, der befinder sig på niveaulinie 85.

Dette betyder, at differensspændingen ifølge opfindelsen med en høj rumlig nøjagtighed gengiver den bioelektriske aktivitet, som findes indenfor den polygon, der dannes af hjælpeelektroderne. Differensspændingen, der repræsenterer den bioelektriske aktivitet, der findes under og i nærheden af signalelektroden, bliver jo større, jo flere hjælpeelektroder der anvendes. I udførelseseksemplet er der vist fire symmetrisk anbragte hjælpeelektroder 75 - 78, men der kan også anvendes tre, fem eller flere elektroder. Det er heller ikke nødvendigt, at hjælpeelektroderne er anbragt symmetrisk i forhold til signalelektroden. Pejl ved målingen med usymmetrisk anbragte hjælpeelektroder kan ophæves, når hjælpeelektroderne er tilsluttet til stjernepunktet via modstande, hvis størrelse afhænger af den enkelte afstand mellem hjælpeelektrode og signalelektrode· På fig. 10 - 12 er der vist elektrodeholdere, hvor elektroderne er anbragt således, at der opnås en differensspænding som ovenfor beskrevet.

Elektrodeholderen vist på fig. 10 består af en skive 86 af isolerende materiale, i hvis centrum signalelektroden 87 er anbragt. Hjælpeelektroder 88 - 92 er anbragt ved holderens periferi og danner en regelmæssig polygon (femkant). Samtlige elektroder er fjedrende anbragt vinkelret på deres anlægsflader ved - 6 - 147843 hjælp af kendte og derfor ikke viste midler. Et gummibånd 93 skydes ind over en på skiven 86 anbragt tap 94 og trykker elektrodeholderen mod anlægsfladen på patienten.

På fig. 11 og 12 er vist en elektrodeholder af isolerende materiale, hvilken elektrodeholder dannes af to trekanter 95 og 96, som hver bærer tre hjælpeelektroder 97 - 99 og 100 - 102. Gennem trekanterne 95 , 96's fælles centrum rager der en akse 103, ved hjælp af hvilken der på den nedadvendende endeflade er anbragt en signalelektrode 104. På aksen 103's anden endeflade er der fastgjort en skive 105, hvis diameter er større end aksens diameter. Mellem skiven 105 og trekanterne 95 og 96 er der anbragt spiralfjedre 106, 107, således, at trekanterne 95 og 96 kan fjedre uafhængigt af hinanden. På skiven 105 findes der endvidere en opadrettet tap 108, hvorpå der er indskudt et gummibånd 109 til at trykke elektrodeholderen mod anlægsfladen. Når gummibåndet 109 presser signal-elektroden 104 mod anlægs fladen, har elektroderne 97 - 102 i de to trekanter et bestemt anlægstryk, der er afhængigt af spiralfjedrene 106 og 107.

De beskrevne elektrodeholderen er små, afstanden mellem signalelektroden og hjælpeelektroderne andrager 1-2 cm, således at der kan anbringes flere signalelektroder med tilsvarende hjælpeelektroder, hvor antallet svarer til antallet af signalelektroder ved de kendte målefremgangsmåder. Den på fig. 11 og 12 viste elektrodeholder udviser en særlig fordelagtig udformning, hvor to naboelektrode-holdere kan indskydes i hinanden.

Fig. 13 viser, hvorledes den differensspænding, som kendetegner opfindelsen, dannes ved de beskrevne elektrodearrangementer, nemlig som differensen mellem signalelektroden 110's potential, som tilføres indgangen på differensforstærkeren 115, og middelværdien af hjælpeelektroderne 111 - 114's potentialer, der tilvejebringes i referencepunktet 116 og ledes til den anden indgang på forstærkeren 115.

Mellem referencepunktet 116 og hjælpeelektroderne 111 - 114 er der anbragt lige store modstande 117 - 120, da afstandene mellem signalelektroden 110 og den enkelte hjælpeelektrode 111 - 114 er lige store. I differensforstærkeren forstærkes differensspændingen mellem signalelektroden 110's potential og punktet 116's potential og ledes videre til en skriver 121 til registrering.

Appratet ifølge opfindelsen kan også anvendes med et elektrodearrangement vist på fig. 14, hvor der er anbragt et antal elektroder på en patients kranium 1 ifølge et internationalt standardiseret mønster, fx. et såkaldt 10 - 20-sy-stem. Hver signalelektrode benyttes her som hjælpeelektrode for nabosignalelek-troderne. De differensspændinger, som kendetegner opfindelsen, dannes først ef - 7 - 147843 ter ét eller flere forstærkertrin, hvorved det undgås, at elektroderne belastes med et stort antal modstande.

Hver signalelektrode 122 - 140 er tilsluttet en indgang på en af differensforstærkere A122 - A140 med høj indgangsimpedans og lav udgangsimpedans og med to indgange og to tilsvarende udgange. De andre indgange på differensforstærkerne A122 - A140 er forbundet med en på patientens kranium 1 lagt referenceelektrode 141.

Der skal fx. måles det lokalt opståede potential under og i nærheden af signalelektroden 125. Hertil kan benyttes hjælpeelektroderne 124, 122, 126 og 130, der danner en polygon. De fra elektroderne 122, 124, 125, 126, 130 bestemte potentialer tilføres den ene indgang på de tilhørende forstærkere A122 - A124, A125, A126 og A130. De tilsvarende udgange på forstærkerne A122, A124, A126 og A130 er indbyrdes forbundet via modstande 142 - 145 til et stjerneforbindelsespunkt 146. Potentialet under referenceelektroden 141 tilføres til den anden indgang på disse forstærkere. Den anden udgang på forstærkerne A122, A124, A125, A126, A130 er indbyrdes forbundet som de tilsvarende udgange på alle forstærkerne A122 - A140 i et fælles punkt 147 (udgangspunkt). En differensforstærker B125 bestemmer differensspændingen mellem potentialet på udgang 148 på forstærkeren A125 og potentialet i modstandsnetværkets stjerneforbindelsespunkt 146. Stjerneforbindelsespunktet 146's potential er middelværdien af udgangsspændingerne fra forstærkerne A122, A124, A126, A130, fordi alle forstærkerne Al22 - A140's udgange er lavohmede. Udgangsspændingen fra differensforstærkeren B125, der er forbundet med en blækstråleskriver 156 til registrering, svarer til det potential, som findes under signalelektroden 125 og indenfor den flade, der er begrænset af hjælpeelektroderne 122, 126, 130, 124.

Potentialerne under elektroderne 122 - 141 er betegnet med V^2 " v141* ^or“ størkningen i forstærkerne A122 - A140 er for nemheds skyld sat lig 1. Udgangsspændingen fra forstærkeren A122 er V122 “ 1141* Mellem stjerneforbindelsespunktet 146 og udgangspunktet 147 er denne spænding reduceret til V122 ~ v141 4

Mellem punkterne 146 og 147 summeres de reducerede udgangsspændinger fra forstørkerne A122, A124, A126, A130: 122 ~ 1141 + 1122 ~ 1141 + 1122 ~ 1141 + 1122 " 1141 4 4 4 4 - 8 - 147843

Udgangsspændingen fra forstærkeren A125 mellem punkterne 148 og 147 er V125 " V141*

Differensforstærkeren B125 bestemmer spændingen mellem punkterne 148 og 146, > dvs. : „ „ V122 " v141 j. v122 " v141 x V122 " V141 V122 " V141 V125 V141 -;-+--r~*-;-+-1- der er lig med : „ _ V122 + V124 + V126 + V130 v125 "---

Udgangsspændingen fra differensforstærkeren B125 svarer altså til differensen mellem potentialet under signalelektroden 125 og middelværdien af hjælpeelektroderne 122, 126, 124 og 130's potentialer. Spændingen under referenceelektroden 141 er blevet elimineret.

Når det lokalt opstående potential i elektroden 130's område skal måles, benyttes naboelektroderne 125, 129, 131 og 135 som hjælpeelektroder. De fra disse elektroder bestemte potentialer tilføres den ene indgang på den tilhørende forstærkere A125, A129, A130, A131 og A135. Disse forstærkeres tilsvarende udgange er ved hjælp af punkteret indtegnede modstande 149 - 152 indbyrdes forbundet i et stjerneforbindelsespunkt 153. Spændingen i referenceelektroden 141'S område tilføres den anden indgang på forstærkerne A125, A129, A130, A131 og A135. De tilsvarende udgange er også her indbyrdes forbundet i udgangspunktet 147. En punkteret indtegnet differensforstærker B130 bestemmer differensspændingen mellem forstærkeren A130's udgang 154 og modstandsnetværkets stjerneforbindelsespunkt 153. Udgangsspændingen fra differensforstærkeren B130 ledes videre til en blækstråleskriver 155. Denne spænding svarer til det potential, der opstår under signalelektroden 130 og indenfor polygonen, som er dannet af hjælpeelektroderne 125, 129, 131 og 135. På lignende måde bestemmes de lokalt opstående potentialer under de øvrige elektroder.

Det beskrevne apparat kan også anvendes i forbindelse med randelektroderne 122, 123, 128, 133, 138, 140, 139, 129 og 124, 134. Til hver randelektrode anvendes de to naborandelektroder som hjælpeelektroder. Når fx. elektroden 129 er en signalelektrode, anvendes elektroderne 124 og 134 som middelværdidannende hjælpeelektroder. Den til signalelektroden 129 svarende differensforstærker bestemmer altså differensspændingen mellem den ene udgang på forstærkeren A129 og midtpunktet mellem to modstande, der er forbundet med udgangene på forstærkerne - 9 - 147843 A124 og A134.

på måde opnås der også for randelektroderne en bedre nøjagtighed i forhold til de kendte apparater ved bestemmelse af det lokale elektrodepotential.

Det beskrevne apparat er også anvendeligt til måling af andre bioelektriske signaler, fx. ved et føtus-elektrocardiagram.

Claims (6)

147843 - 10 - PUE8IKRA?

1. Apparat til måling af den bioelektriske aktivitet i centralnervesystemet med en på hovedet af en patient pålagt signalelektrode, flere rumligt fordelte hjælpeelektroder og et registreringsapparat, og med organer til dannelse af en potentialmiddelværdi af hjælpeelektrodernes potentialer og tilførsel af differensen mellem denne potentialmiddelværdi og signalelektrodens potential til regi-streringsapparatet, kendetegnet ved, at der som hjaslpeelektroder (75 - 78, fig. 4; 88 - 92, fig. 10,· 97 - 102, fig. 11? 111 - 114, fig. 13) udelukkende er anvendt elektroder, som er anbragt i nærheden af signalelektroden (79, 87, 104, 110), at hjælpeelektroderne (75 - 78, fig. 4; 88 - 92, fig. 10; 97 -102, fig. 11? 111 - 114, fig. 13) danner hjørnerne i en polygon, i hvilken signalelektroden (79, 87, 104, 110) er anbragt, eventuelt ved et hjørne, og at mid-delværdidannelsesorganerene er indrettet til at sammenfatte potentialet af alle rumligt omkring signalelektroden fordelte hjaslpeelektroder (75 - 78, fig. 4; 88 - 92, fig. 10; 97 - 102, fig. 11? 111 - 114, fig. 13) i en vægtet potentialmiddelværdi idet vægtfaktoren for den pågældende hjælpeelektrode (75 - 78, fig. 4; 88 - 92, fig. 10; 97 - 102, fig. 11; 111 - 114, fig. 13) afhænger af afstanden mellem den pågældende hjælpeelektrode (75 - 78, fig. 4? 88 - 92, fig. 10? 97 -102, fig. 11; 111 - 114, fig. 13) og signalelektroden (79, 87, 104, 110).

2. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at hjaalpeelektroderne (75 - 78, fig. 4? 88 - 92, fig. 10; 97 - 102, fig. 11? 111 - 114, fig. 13) via omtrent lige store modstande (117 - 120, fig. 13; 142 - 145, 149 - 152, fig. 14) er tilsluttet til stjernepunktet (116 fig. 13; 146, 153, fig. 14).

3. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at signalelektroden (87 fig. 10? 104, fig. 11, 12) og hjælpeelektroderne (75 - 78, fig. 4; 88 - 92, fig. 10; 97 - 102, fig. 11; 111 - 114, fig. 13) er fastholdt i en holder (86 fig. 10? 95, 96 fig. 11) af isolerende materiale.

4. Apparat ifølge krav 3, kendetegnet ved, at signalelektroden (87 fig. 10; 104, fig. 11, 12) er anbragt i centrum og hjælpeelektroderne (75 - 78, fig. 4? 88 - 92, fig. 10? 97 - 102, fig. 11; 111 - 114, fig. 13) er anbragt ved periferien af holderen (86 fig. 10? 95, 96 fig. 11) og danner en regelmæssig polygon.

5· Apparat ifølge krav 3 eller 4, kendetegnet ved, at elektroderne (87 - 92, fig. 10? 97 - 102, 104, fig. 11, 12) er anbragt fjedrende på holderen (86 fig. 10; 95, 96 fig. 11, 12) i retning vinkelret på.deres anlægsflade.

6. Apparat ifølge krav 1, hvor der anbringes et flertal signalelektroder på et