DE102004039291A1 - Potential sensor for measuring electrical potential in skin surface, has generator determining division factor of voltage divider by derived clock pulse and allocating displacing component of artifacts to zero with output signal - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Potenzialsensor zum Messen elektrischer Potenziale an der Hautoberfläche mit Hilfe von Sensorelektroden und einem Ladungskonverter, der die Ladungen in adäquate Spannungen umwandelt.The The invention relates to a potential sensor for measuring electrical Potentials on the skin surface with the help of sensor electrodes and a charge converter, which the Loads in adequate Tensions converted.
Potenzialmessungen
an Oberflächen
gehören
in der modernen Medizintechnik zur Frühdiagnose. Für diese
Messungen ist die Messelektroden in geringem Abstand von der Hautoberfläche zu positionieren;
eine unmittelbare Befestigung mit einem elektrisch nicht leitenden
Gel auf der Hautoberfläche
ist ebenfalls denkbar. Der wichtigste Sensorparameter ist die Haut-Elektroden-Kapazität, die im
sehr kleinen pF-Bereich liegt. Als Auswertesystem für die mess technische
Erfassung der Ladungsänderungen
an der Messstelle des Probanden wird bevorzugt ein Elektrometerverstärker eingesetzt,
der als besonders empfindlicher Spannungsverstärker in Höchstohmtechnologie konzipiert
ist. Die prinzipielle Funktionsweise eines Potenzialsensors und
eines Elektrometerverstärkers
mit offenem Eingang ist besonders einfach zu analysieren, wenn der
Proband als Ground (Bezugspunkt) gewählt wird. Durch diese Festlegung
kann der Elektrometerverstärker
im Ersatzschalbild durch einen in Serie geschalteten kapazitiven
Spannungsteiler dargestellt werden. Der eine Serienkondensator wird
aus der Körperoberfläche und
der Messelektrode gebildet (CProbe) und
der andere aus der Leitungskapazität CL und
der eigentlichen Verstärkereingangskapazität CV, die zusammengefasst als Eingangskapazität Ce definiert werden. Über den beiden Serienkapazitäten befindet
sich auf Grund des technischen Aufbaus jeweils ein parallel geschalteter
Widerstand, dessen Größe im hohen
Giga-Ohmbereich liegt. Das gesamte System ist also darstellbar als
zwei in Serie geschaltete RC-Kombinationen mit unterschiedlichen
Zeitkonstanten und einem nachgesetzten Spannungsverstärker. Die
Ladungskonvertierung geschieht nach der Beziehung wobei die Ladung Q in eine
Spannung U konvertiert wird, so dass die zu erwartende Messspannung
ua(t) mit der eingefügten Spannungsverstärkung νu der
Primärelektronik
sich ergibt als
Der Elektrometerverstärker konvertiert auf Grund seiner physikalischen Arbeitsweise eine Ladung nach der Beziehung wobei die Gesamtkapazität Cges. aus der Reihenschaltung von CProbe und Ce gebildet wird. Das Vorzeichen gilt der Phasenlage der Ausgangsmessgröße und ist für die medizinische Auswertung irrelevant. In Verbindung mit dem Ladungsübertragungsfaktor Sq des Sensors und der Spannungsverstärkung νu = 1 wird die Ausgangsspannung am Elektrometerverstärker zu The electrometer amplifier converts a charge according to the relationship due to its physical operation the total capacity C tot. is formed from the series connection of C sample and C e . The sign applies to the phase position of the output variable and is irrelevant for medical evaluation. In conjunction with the charge transfer factor S q of the sensor and the voltage gain ν u = 1, the output voltage at the electrometer amplifier is too
Da der Ladungsübertragungsfaktor Sq nicht nur von der zu messenden Ladung qProbe abhängig ist, sondern wegen (1) auch von der Sensorkapazität CProbe und ihren Änderungen ± ΔCProbe wird das gesamte Ausgangsmesssignal zu Since the charge transfer factor S q is dependent not only on the charge to be measured q sample but also because of (1) the sensor capacitance C sample and its changes ± ΔC sample , the entire output measurement signal becomes too high
Aus
der Gleichung (2) ist ersichtlich, dass die Messausgangsspannung
sowohl von der eigentlich interessierenden Messgröße Ladung/Ladungsänderung
an der Hautoberfläche
abhängt,
als auch von den Kapazitätsänderungen ± ΔCProbe des Messobjektes. Die Kapazität C ist
durch die Bemessungsgleichung bestimmt, wobei d der Abstand
Messelektrode zur Hautoberfläche
darstellt, und damit eine Funktion des Messabstandes wird, der beim
Probanden nicht fixiert werden kann. Auf Grund der Bewegung Hautoberfläche zur Elektrodenoberfläche enthält das Messsignal
neben der eigentlichen elektrischen Messgröße u(q) wegen Gl. (6) und Gl.
(1) auch einen systematischen Fehler F(d ± Δd) im Ausgangssignal ua(q) – die
so genannten Artefakte. Diese Bewegungen sind stochastischer Natur
und bei einem Messzyklus am Patienten kann aus Zeitgründen keine
ausreichende Vorgeschichte des Fehlersignals erstellt werden kann,
sodass bekannte statistische Messfehlerkorrekturverfahren nur unzureichend
anwendbar sind. Für
die zu messende Ausgangsspannung ua(t) für einen
Elektrometerverstärker,
der Tiefpassverhalten aufweist, gilt demnach mit τges.
als der in Reihe geschalteten Eingangs-RC-Kombinationen mit unterschiedlichen Übertragungszeitkonstanten.
Zum Stand der Technik für
die Realisierung können
Arbeiten der Physical Electronics Group von der University of Sussex
genannt werden (z. B.: „An
ultra-low-noise electrical-potential probe for human-body scanning" in School of Engineering, University
of Sussex, Brighton, Sussex BN1 9QT, UK und die Schrift „Remote
detection of human electroencephalograms using ultrahigh input impedance
electric potential sensors" in
Applied Physics Letters, Volume 81, Nr. 1721, Oct. 2002, einer theoretischen
Arbeit zum grundsätzlichen Messprinzip
mit veränderbaren
Kondensatoren von Lord Kelvin (1861) sowie die Patentschrift
Möglichkeiten zur Lösung solcher messtechnischen Aufgabe sind schaltungstechnische Maßnahmen am Elektrometerverstärkereingang wie z. B. phasenempfindliche Auswertesysteme oder elektronische Chopper-Amplifiers. Wegen der extremen Hochohmigkeit des Elektrometereinganges (Re ≥ 1012 Ohm) und der sehr geringen Eingangskapazitäten (CProbe und Ce ≈ 0,5 ... 5,0 pF) sind derartige Schaltungsmaßnahmen nur für ausgewählte Einsatzfälle realisierbar. Nachgeschaltete Choppersysteme oder passive Filternetzwerke liefen bei extrem hochohmigen Primär-Messsystemen wegen der hohen Eigenzeitkonstanten (τ ≈ ≥ 0,5 ... 1,5 s) ebenfalls nicht den gewünschten Erfolg. Eine Signalübersteuerung der Primärelektronik würde das Ausgangssignal so verfälschen, dass der tatsächliche Messsignalverlauf nicht rekonstruiert werden kann. Die Kapazitäten des seriengeschalteten Eingangsspannungsteilers CProbe und Ce für eine Amplitudenauswertung durch eine eingangsseitig eingespeiste Messwechselspannung zu bestimmen, um den Teilungsfaktors zu ermitteln, ist wegen der sehr geringen Kapazitätswerte und der extremen Hochohmigkeit nur akademisch möglich. Das gleiche gilt für die Messung der aktuellen Sensorkapazität von CProbe durch eine eingangsseitig eingespeiste Messwechselspannung.Possibilities for solving such metrological task are circuit measures at the electrometer amplifier input such. B. phase-sensitive evaluation systems or electronic chopper amplifiers. Because of the extreme high resistance of the electrometer input (R e ≥ 10 12 ohms) and the very low input capacitances (C sample and C e ≈ 0.5 ... 5.0 pF), such circuit measures can only be implemented for selected applications. Downstream chopper systems or passive filter networks also did not achieve the desired success in extremely high-impedance primary measurement systems because of their high own time constants (τ ≈ ≥ 0.5 ... 1.5 s). A signal override of the primary electronics would distort the output signal so that the actual measurement signal waveform can not be reconstructed. Determining the capacitances of the series-connected input voltage divider C Probe and C e for an amplitude evaluation by an alternating measurement voltage fed in on the input side in order to determine the division factor is only possible academically because of the very low capacitance values and the extreme high resistance. The same applies to the measurement of the current sensor capacitance of C Probe by means of an input alternating voltage.
Es besteht also die Aufgabe, die zeitlichen abstands- und bewegungsabhängigen Verfälschungen (Artefakte) des ursprünglichen Signals zu kompensieren.It So there is the task, the temporal distance and motion-dependent distortions (Artifacts) of the original Compensate signal.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungen der Erfindung an.According to the invention this Problem solved by the features of claim 1, the dependent claims advantageous embodiments to the invention.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer einzigen Zeichnung erläutert. Dabei bedeuten im Einzelnen:The Invention will be explained below with reference to a single drawing. there in detail mean:
- 11
- Abstandsänderung Hautoberfläche/Messelektrodedistance change Skin surface / measuring electrode
- 22
- Abstand Hautoberfläche/Messelektrodedistance Skin surface / measuring electrode
- 33
- Ladungspotenzial (Messgröße)charge potential (Measured variable)
- 44
- Messoberfläche, (z.B. Kopfhaut)Measuring surface, (e.g. Scalp)
- 55
- Messelektrodemeasuring electrode
- 66
- ElektrometerverstärkerElectrometer amplifier
- 77
- Primärelektronikprimary electronics
- 88th
- TeilertaktsignalDivider clock signal
- 99
- Primär-AusgangssignalPrimary output signal
- 1010
- Aktuator-BewegungActuator movement
- 1111
- Potenzial-BezugspunktPotential reference point
- 1212
- Aktuator-SteuersignalActuator control signal
- 1313
- Aktuatoractuator
- 1414
- Synchrontaktsynchronous clock
- 1515
- Generatorgenerator
- 1616
- Auswerteeinheitevaluation
- 1717
- Ausgangssignaloutput
Die
Grundidee der Erfindung basiert auf dem Zusammenhang, dass eine
Ladung Q an einer Kapazität C
in eine Spannung U konvertiert wird [s. Gl. (1)]. Diese Kapazität C ist
wegen der Artefakte nicht konstant und durch das Aufschalten einer
bekannten Größe Δd können die
dadurch in der Messspannung vorhandenen Schwankungen (Artefakte)
durch lineare Gleichungssysteme höherer Ordnung eliminiert werden.
Ausgangspunkt für
diese Operationen ist die Gleichung (6). Der Elektrodenabstand
- 1. Die Größen U1(d1), U2(d2) und Δd müssen ungleich null sein;
- 2. Die Signalspannung USign. muss während des Messvorganges U1(d1) und U2(d2) unverändert bleiben;
- 1. The quantities U 1 (d 1 ), U 2 (d 2 ) and Δd must not be equal to zero;
- 2. The signal voltage U Sign. Must remain unchanged during the measuring process U 1 (d 1 ) and U 2 (d 2 );
Forderungen die soweit erfüllt sind, dass sie keinen nennenswerten Fehlerbeitrag für die Messung liefern.requirements so far fulfilled are that they do not make any significant error contribution to the measurement deliver.
Wesentlichstes
Problem für
die Ausblendung der Artefaktefehler ist die Eingangskapazität Ce des Elektrometerverstärkers
Claims (5)
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- 2004-08-13 DE DE102004039291A patent/DE102004039291A1/en not_active Ceased
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