DE2742058A1 - Vorrichtung zur anbringung von messwertaufnehmern und messelektroden an oberflaechen, insbesondere an der hautoberflaeche bei medizinisch-biologischen messungen - Google Patents

Description

• BESCHREIBUNG
• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Befestigung von Meßwertaufnehmern an festen oder weichen Oberflächen, insbesondere an der Hautoberfläche bzw. flächigen Gewebestrukturen von Menschen und Tieren, mit der sich Sensoranordnungen allgemeinster Art mit Hilfe von Unterdruck vor allem an die Hautoberfläche festsaugen lassen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Ansaugvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Bei medizinisch/physiologischen Messungen wird im Rahmen von Diagnose und Therapie eine Vielzahl von elektrischen Signalen (z.B. Elektrokardiogramm, Elektromyogramm, Elektrookulogramm, Elektrodermalreflex, Elektrogastrogramm, Elektroencephalogramm, Elektroneurogramm, usw.) mit Hilfe von Elektroden erfaßt, die auf die Hautoberfläche aufgebracht werden. Auch werden solche Elektroden zur Elektrostimulation eingesetzt. Daneben gibt es eine Fülle nichtelektrischer Phänomene, zu deren Messung die physikalischen Meßwandler an der Haut befestigt werden, wie z.B. bei der Aufnahme der Herztöne, der transcutanen Sauerstoffdruckmessung oder auch bei Ultraschallmessungen mit Ultraschall-Sender/Sensoranordnungen usw. Das Hauptproblem besteht darin, die Elektroden oder Meßwandler an der Hautoberfläche so zu befestigen, daß die Meßwerte selbst nicht verfälscht werden, eine hohe Störsicherheit der Meßwerte gegeben ist und daß die Haut der Versuchsperson oder des Versuchstieres möglichst wenig gereizt oder geschädigt wird. Außerdem soll besonders für den medizinischen Routinebetrieb ein zeitsparendes rasches Anlagen und Abnehmen der Meßaufnehmer möglich sein.
• Die meist verbreitete Art, Meßwertaufnehmer an der Hautoberfläche zu fixieren, besteht im Aufkleben der Meßwertaufnehmer. Die Klebeprozedur ist zeitlich sehr aufwendig, zumal dann, wenn die Meßstelle erst durch mehrmaliges Anbringen des Aufnehmers gesucht werden muß. Ist die richtige Stelle gefunden, so ist das Klebeverfahren in vielen Fällen praktikabel, und zwar immer dann, wenn die Aufnehmer flach und klein sind und - bedingt z.B.
• durch mechanische Einwirkungen - während der Messung nicht abgehen.
• Größere Aufnehmer, wie z.B. die Transoxode zur percutanen Messung des Sauerstoffpartialdrucks bei der Messung am Schädel des Foeten während des Geburtsvorgangs, werden heute ebenfalls geklebt. Häufig wird aber durch unvermeidbare mechanische Einwirkung der Aufnehmer von der Meßstelle abgedrückt und kann dann nicht mehr, jedenfalls nicht mehr rasch genug angeklebt werden.
• Zur Fixierung von Elektroden auf der Haut sind auch Unterdruck-Saugelemente bekannt, die als hohler Ringwulst die Elektrode umschließen (vgl. beispielshalber die DT-AS 1 108 820). Das Ansaugen stellt eine Lösung insofern dar, als ein rasches Entfernen und Wiederanlegen des Aufnehmers den beschriebenen Suchvorgang für eine geeignete Meßstelle erlaubt. Ebenso kann der Aufnehmer, wenn er durch unvermeidbare mechanische Einwirkungen abgelöst wird, rasch wieder angebracht werden. Herkömmliche Ansaugvorrichtungen haben aber den schwerwiegenden Nachteil, daß die Sauganordnungen lediglich in einem hohlen Ringwulst bestehen und zu starr sind, so daß sich bei längerer Ansaugdauer mit Hilfe einer Unterdruckpumpe Blasen bilden. Diese sogenannten ödeme sind im allge- meinen nicht tolerierbar und stellen stets eine Gefahr für eine Infektion dar.
• Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine an eine Unterdruckquelle anzuschließende Vorrichtung zur Befestigung von Meßwertaufnehmern und/oder Meßelektroden an Oberflächen, insbesondere an Haut oder flächigen Gewebestrukturen zu schaffen, die einerseits ein rasches Anlegen der Aufnehmer bzw. Elektroden an bzw. Auswechseln oder Ändern der Meßstelle ermöglicht, andererseits aber keine Beanspruchung der Meßstelle, insbesondere Reizung der Haut mit Odembildung u.dgl. bewirkt und bei höherer Störsicherheit damit zusätzlich zur Erzielung zuverlässiger unverfälschter Meßergebnisse beiträgt.
• Die erfindungsgemäße grundsätzliche Lösung dieser technischen Aufgabe ist zusammengefaßt im Patentanspruch 1 angegeben.
• Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind durch Unteransprüche gekennzeichnet.
• Die Erfindung vermeidet oder reduziert zumindest die Folgen mechanischer Einwirkung auf die Haut. Dies wird dadurch erreicht, daß das Ansaugen mit Hilfe flexibler Wandungen an den Saugnäpfen erfolgt, die so elastisch sind, daß die Haut nicht wie bei bekannten Unterdruck-Haftelektroden in einen starren Saugnapf gezogen wird, sondern daß sich die Wandung zumindest zum Teil an die Haut anschmiegt. Vor allem werden alle Belastungsspitzen der Haut, die bei Verwendung starrer Materialien an der Wandung entstehen, durch flexible Berandungen abgebaut.
• Das evakuierte Volumen kann mit einem offenporigen Kunststoff ausgeschäumt werden; der Kunststoff stützt dann das Gewebe gegen die Saugkräfte des Unterdrucks zusätzlich.
• Die Flexibilität der saugnapfähnlichen Strukturen wird erreicht durch Wahl von geeigneten gummiartigen Kunststoffen hoher Elastizität bei hinreichender Festigkeit sowie ganz wesentlich durch konstruktive Maßnahmen wie z.B. kleine Wandstärken an federnden Zonen insbesondere im Bereich der Grundfläche des Saugnapfs. Die Herstellung kann durch verschiedene Verfahren erfolgen, beispielsweise in einem Tauch-, Spritz-, PreB-, Gießverfahren usw. Durch Verwendung von nichtleitenden Kunststoffen lassen sich die Meßaufnehmer elektrisch von der Umgebung isolieren, so daß die an der Haut liegende aktive Aufnehmerfläche definiert ist.
• Als Materialien für die Saugnäpfe kommen mehrere Familien hochflexibler Kunststoffe infrage. Als sehr zufriedenstellend haben sich einige Arten von bei Raumtemperatur vulkanisierenden Silikonkautschuken (sog. RTV-Systeme) erwiesen, beispielsweise die Typen RTV 630 der Firma General Electric und RTV 622 der Firma Wacker Chemie. Es sei jedoch betont, daß je nach dem Herstellungsverfahren (etwa Spritzverfahren) auch andere, insbesondere bei höheren Temperaturen vulkanisierende, gleichwohl hochflexible Kunststoffzusammensetzungen für den hier vorgesehenen Zweck Verwendung finden können.
• Das Prinzip der Erfindung wurde in der Praxis bereits erfolgreich für Einfachelektroden, Doppel- und Mehrfach- elektroden in einem Ansaugaufnehmer, in einer Doppel und Mehrfachanordnung von Saugelektroden mit und ohne angebauten Verstärker sowie für kombinierte Ultraschallmeßgeräte getestet. Es ließ sich vielfältig nachweisen, daß solche Saugelektroden mehr als 45 Minuten angesaugt werden können, ohne daß ödeme entstehen. Diese lange Ansaugdauer ohne ödembildung läßt sich mit keiner bekannten mit Unterdruck arbeitenden Haftelektrode erreichen.
• Bei länger dauernder Anwendung kann zusätzlich eine auf die Aufnehmer bzw. Elektroden abgestimmte Regelvorrichtung zur Unterdruckregelung eingesetzt werden.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung sind anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele ohne Beschränkung des Erfindungsgedankens durch die nachfolgend erläuterten Zeichnungen veranschaulicht. Es zeigen: Fig. 1 eine Einzelelektrode in Draufsicht von unten und in einer Schnittdarstellung; Fig. 2 eine Mehrfachelektrode, ebenfalls in Draufsicht- und Schnittdarstellung; Fig. 3 eine Mattenelektrodenanordnung in Draufsicht und vergrößerter Schnittdarstellung eines Elektrodenelementes; Fig. 4 in Perspektiv- sowie Draufsicht und Teilschnittansicht eine sogenannte aktive Elektrodenanordnung mit an die Elektroden angebautem Vorverstärker; Fig. 5 den Saugkopf eines Meßwertaufnehmers mit Transoxode; insbesondere eines hochelastischen Kunststoffs auf der Basis von Silicon-Kautschuk (Beispiele für geeignete Materialien sind oben angegeben) - und andererseits auch durch geeignete Bemessung der abgeschrägten Wandung 8 in Relation zur Stärke des ebenfalls flexiblen Bodenbereichs 7 erzielt wird. Wie die in den wesentlichen Konstruktionsprinzipien stärker betonte Darstellung der Fig. 7 erkennen läßt, ist durch die sehr flexible Zone des Bodenbereichs 7 gegebenenfalls in Verbindung mit partieller Wandstärkenverdünnung ein großer Federweg für die im Vergleich zum Bodenbereich 7 und zum Zentralbereich 20 relativ starre Wandung 8 gewährleistet. Dieses Prinzip ist ähnlich wie bei einer Lautsprechermembran und ermöglicht einen großen Weg bei kleiner Materialbeanspruchung, oder, anders ausgedrückt: Das System wirkt wie eine sehr weiche Feder.
• Durch die hohe Flexibilität wird für den Abdichtbereich der Wandung 8 einerseits eine gute Dichtwirkung des Saugnapfs 2 an der Meßstelle, andererseits aber auch der wesentliche Vorteil der Erfindung erreicht, nämlich der, daß an der Meßstelle auch bei relativ langer Meßdauer keine Reizung mit der Folge einer ödembildung auftritt.
• Fig. 2 zeigt eine Dreifach-Elektrode in einem Saugnapf, die insbesondere zu Feldstärkemessungen verwendet wird. Die konstruktive Gestaltung des Saugnapfs ist prinzipiell die gleich wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1, so daß die einander entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugshinweisen versehen sind. Die räumliche Anordnung der Elektroden 4, 4' und 4" ist aus der Fig. 2 ersichtlich.
• Fig. 6 einen Saugkopf mit Zwei-Kammersystem und Fig. 7 die vereinfachte Schnittdarstellung einer der Fig. 1 ähnlichen Einzelelektrode zur weiteren Erläuterung des erfindungsgemäßen Prinzips.
• In Fig. 1 ist als Beispiel eine Einzelelektrodenvorrichtung 1 zu sehen, die im wesentlichen aus dem aus flexiblem Kunststoffmaterial einstückig geformten Saugnapf 2 und der in eine umrandete Ausformung 3 im Inneren des Saugdem napfs eingesetzten Elektrode bzw. Meßwertaufnehmer 4 besteht. Die Zuleitung für den Unterdruck ist mit 5 und das elektrische Verbindungskabel zur beispielsweise als Sinterelektrode ausgeführten Elektrode 4 ist mit 6 bezeichnet.
• Der Bodenbereich 7 des Saugnapfs 2 ist im wesentlichen eben, während die außenseitige Wandung 8wie dargestelltl vom Bodenbereich 7 zum offenen Rand zu abgeschrägt ist. Der offene umlaufende Rand 9 des Saugnapfs 2 überragt die Anlagefläche 4a des Meßwertaufnehmers bzw. der Elektrode 4 um ein geringes Stück. Wird die Einzelelektrodenvorrichtung 1 beispielsweise an eine Hautpartie angelegt, so drückt sich die Wandung 8 aufgrund der Flexibilität des Materials geringfügig nach außen, so daß der umlaufende Rand 9 zusammen mit einem inseitigen Flächenbereich der Wandung 8, der an den Rand 9 anschließt, eine abdichtende Wirkung ergibt, d.h. aufgrund der Ansaugung über die Zuleutung 5 saugt sich die Elektrodenvorrichtung 1 selbsttätig an der Meßstelle fest.
• Erfindungsgemäß wesentlich ist die hohe Flexibilität der Wandung 8, die einerseits durch Auswahl des Materials - Mit Bezugshinweis 10 ist eine Stütze aus nachgiebigem Material, beispielsweise eine Gummi- oder Kautschukstütze bezeichnet, deren axiale Höhe der Bauhöhe der Elektroden entspricht. Diese Stütze 4 kann unmittelbar einstückig auf der Innenseite des Saugnapfs 2 angeformt sein.
• Bei der Mehrfachanordnung nach Fig. 3 sind mehrere Saugnäpfe 121 122 ....... nach Zeilen und Spalten geordnet untereinander durch eine flexible Matte, beispielsweise aus Silikonkautschuk, miteinander verbunden. In jedes Saugnapfteil 121, 122 ........ 12n 12n+m ist eine Elektrode bzw. ein Meßwertaufnehmer 4 eingelassen.
• Die Wandung 8 ist in diesem Fall nach Art einer Dichtlippe gestaltet, die beim Anlegen der Mehrfachanordnung nach außen spreizt und eine Abdichtung bewirkt, ähnlich wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Auch hier ist durch die Gestaltung der Dichtlippe und/oder die Abmessungsverhältnisse der Wandung 8 in Relation zur Stärke des jeweiligen Napfbodens 7 eine sehr hohe Flexibilität und ein gutes Anschmiegen der Dichtlippe an die Meßstelle gewährleistet.
• Die jeweiligen Zuleitungen 5 für den Unterdruck sowie die elektrischen Verbindungen 6 zu den einzelnen Elektroden sind in die einstückig'beispielsweise aus Silikonkautschuk gegossene Mehrfachanordnung mit eingegossen.
• Die Fig. 4 zeigt als Anwendungsbeispiel für die Erfindung eine Oberflächen-Elektromyogramm-Elektrode (EMG-Aufnehmer), bei der ein integrierter Vorverstärker direkt an die Elektroden 4 und 4' angebaut ist. Die Saugnäpfe 2 und 2' sind konstruktiv ähnlich gestaltet wie bei der Aus- führungsform nach Fig. 1, so daß eine in weitere Einzelheiten gehende Beschreibung erübrigt werden kann. Das Aufnehmergehäuse 13 kann aus Leichtmetall oder aus einem flexiblen Kunststoff bestehen, wobei ggfs. eine nicht dargestellte Abschirmung mit eingegossen sein kann. Zusätzliche Buchsen 14, 14' erlauben es, den integrierten Vorverstärker z.B. mit Nadelelektroden (eine Anforderung im Klinikbetrieb) oder auch in Verbindung mit anderen Klebeelektroden zu verwenden. Das Unterdruck-Saugrohr ist wiederum mit 5, das Anschlußkabel mit 6 und ein Erdungsstecker mit 15 bezeichnet. Das beispielsweise aus Leichtmetall gefertigte Aufnehmergehäuse 13 enthält den integrierten Vorverstärker bzw. eine nicht gezeigte und im elektrischen Schaltungsaufbau im Prinzip bekannte Impedanzwandlerstufe und bildet zugleich die Halterung für die beiden Elektroden 4, 4', die durch Unterdruck in den Saugnäpfen 2, 2' an der Haut fixiert werden. Der Erdungsstecker 15 wird ggfs. zur Differenzenspannungsmessung mit einer großflächigen Bezugselektrode verbunden.
• Die Fig. 5 zeigt in etwa fünffacher Vergrößerung gegenüber dem natürlichen Maßstab eine Sauganordnung, die einen nur in Umrissen dargestellten Meßwertaufnehmer 16 zur transcutanen Messung des Sauerstoffpartialdrucks an die Hautoberfläche andrückt. Die Wandung 8 ist ähnlich gestaltet wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3. Beim Übergang zwischen einem den Bodenbereich 7 des Saugnapfs 2 verbindenden Wandabschnitt 18 und der Wandung 8 ist ein nach innen vorspringender ringförmig umlaufender Ansatz 17 angeformt, der zur Halterung des in den Saugnapf eingedrückten Meßwertaufnehmers 16 dient. Der Meßwertaufnehmer 16 läßt sich also durch die hohe Verformbarkeit des flexiblen Kunststoffmaterials leicht einsetzen und auswechseln.
• Die Fig. 6 veranschaulicht, ebenfalls in etwa fünffacher Vergrõßerungleinen flexiblen Saugkopf mit zwei Saugkammern 30 und 31. Auch hier besteht das gesamte Doppelkammersystem aus flexiblem Material, insbesondere auch der mit dem früheren Ringwulstabschluß vergleichbare Außenbereich, der die äußere Saugkamier 31 umfaßt. Diese Art von Doppelkammersaugnäpfen wurde erfolgreich für transcutan anzuwendende Sauerstoff-Partialdrucksensoren eingesetzt.
• Berücksichtigter Stand der Technik: DT-AS 11 08 820, DT-AS 12 24 847, DT-AS 11 84 43t, DT-OS 17 64 566, DT-AS 22 08 653, DT-AS 23 38 209, DT-OS 24 11 389.
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Claims (14)

1. Vorrichtung zur Anbringung von Meßwertaufnehmern und Meßelektroden an Oberflächen, insbesondere an der Hautoberfläche bei medizinisch-biologischen Messungen PATENTANSP RÜCHE 9 Vorrichtung mit einem Saugnapf zum Befestigen von Meßwertaufnehmern und/oder Meßelektroden an Oberflächen, insbesondere an Haut und flächigen Gewebestrukturen mittels Unterdruck, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der Saugnapf (2) als einstückiges, den Meßwertaufnehmer bzw. die Meßelektrode (4) aufnehmendes Element aus einem hochelastischen Kunststoffmaterial gefertigt ist, und daß mindestens die der Oberfläche zuzukehrende offene umlaufende Randwandung des Saugnapfs sehr flexibel ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die flexiblen Teile des Saugnapfs (2) mindestens stellenweise in Vorzugsrichtungen so versteift sind, daß eine hohe Flexibilität des Randbereichs im wesentlichen nur in Parallelrichtung zur Oberfläche gewährleistet ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Randwandung (8) als Dichtlippe ausgebildet ist, deren Anlagerand geringfügig über die Anlagefläche (4a) der Meßelektrode (4) bzw. des Meßwertaufnehmers (z.B. 16) hinaussteht.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Randwandung (8) abgeschrägt mit über die Anlagefläche (4a) der in den Saugnapf eingesetzten Meßelektrode (4) bzw. des Meßwertaufnehmers (z.B. 16) hinausstehender Umlaufkante (9) ausgebildet ist und am Napfgrund (7) eine mindestens in einem Teilbereich verringerte Wandstärke aufweist.
5. 5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Kunststoffmaterial elektrisch leitend ist.
6. 6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß das Kunststoffmaterial elektrisch nichtleitend ist.
7. 7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Meßelektrode (4) bzw. der Meßwertaufnehmer (z.B. 16) mit der Oberfläche zugekehrter freier Anlagefläche (4a) in eine auf die Abmessungen der Meßelektrode bzw. des Meßwertaufnehmers angepaßte Ausformung (3) am Grund des Saugnapfs (2) eingesetzt ist.
8. 8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in einem Saugnapf (2) mehrere Meßelektroden bzw. Meßwertaufnehmer (4, 4', 4") enthalten sind.
9. 9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mehrere einzelne Saugnäpfe (121, 122 ) auf gegenseitigen Abstand voneinander zusammengefaßt angeordnet und starr oder flexibel untereinander verbunden sind.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Saugnäpfe zusammen oder mit der Verbindung als einstückiges Ganzes hergestellt sind.
11. 11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Meßwertaufnehmer aktive und/oder passive Elemente enthält, und daß ein Meßwandler bzw. Vorverstärker (13) miniaturisiert in die Aufnehmeranordnung mit eingeschlossen ist.
12. 12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Elemente zur Abschirmung elektrischer Störfelder mit in die Gesamtanordnung einbezogen sind.
13. 13. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Unterdruckraum in der oder den Saugnäpfen wenigstens teilweise mit offenporigem Kunststoff ausgeschäumt ist, um die Haut gegen die Unterdruckkräfte zu stützen.
14. 14. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Randwandung (8) als umlaufender Ringwulst mit zwei auf radialem Abstand voneinander stehenden Dichtlippen (8', 8") und einer dazwischen liegenden umlaufenden Saugkammer (31) ausgebildet und der gesamte Saugnapf als einstückiges Teil aus hochflexiblem Kunststoff gefertigt ist.