DE10047365A1

DE10047365A1 - Physiologisches Sensorsystem

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Publication number: DE10047365A1
Application number: DE10047365A
Authority: DE
Inventors: Michael Kramer; Walter Maerzendorfer; Ulrich Schaetzle
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2000-09-25
Filing date: 2000-09-25
Publication date: 2002-05-16
Anticipated expiration: 2020-09-26
Also published as: JP4339535B2; CN1269451C; FR2814358A1; CN1348742A; FR2814358B1; DE10047365B4; US6711434B2; JP2002136502A; US20020077560A1

Abstract

Physiologisches Sensorsystem zur Aufnahme elektrischer Messsignale in einer die Aufnahme beeinträchtigenden Umgebung, insbesondere in einem Magnetresonanzgerät, mit mehreren Messelektroden sowie einer Signalverstärkereinrichtung, einer Leistungsversorgung und einer Elektronikeinrichtung zur Signalkonvertierung und Signalübertragung an ein externes Signalverarbeitungs- und/oder Steuerungsgerät, wobei die Messelektroden (3, 4, 5, 14, 15 n) und die Signalverstärkereinrichtung (6, 16) in eiem ersten geschirmten Gehäuse (2, 13) und die Leistungsversorgung und die Elektronikeinrichtung in einem zweiten geschirmten Gehäuse (9) angeordnet sind, wobei die Signalverstärkereinrichtung (6, 16) mit der Elektronikeinrichtung und der Leistungsversorgung über eine geschirmte und/oder gedrillte Kabelverbindung (7, 17) verbunden oder verbindbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein physiologisches Sensorsystem zur Aufnahme elektrischer Messsignale in einer die Aufnahme be einträchtigenden Umgebung, insbesondere in einem Magnetreso nanzgerät, mit mehreren Messelektroden sowie einer Signalver stärkereinrichtung, einer Leistungsversorgung und einer E lektronikeinrichtung zur Signalkonvertierung und -übertragung an ein externes Signalverarbeitungs- und/oder Steuergerät.

Ein solches physiologisches Sensorsystem dient zur in situ Aufnahme von physiologischen Messwerten beispielsweise wäh rend einer Untersuchung eines Patienten mittels eines Magnet resonanzgeräts. Unter Verwendung eines solchen Sensorsystems ist beispielsweise während der Untersuchung die Aufnahme ei nes EKG möglich, um kontinuierlich zum einen die Herztätig keit erfassen zu können, zum anderen kann durch die kontinu ierliche Erfassung der Herzstellung der Bildaufnahmebetrieb des Magnetresonanzgeräts gesteuert werden. Sollen die Magnet resonanzbilder beispielsweise das Herz in einer bestimmten Klappenstellung zeigen, so kann über die EKG-Signale der Mo ment, in dem das Herz in der gewünschten Klappenstellung ist, exakt erfasst werden, und die Bildaufnahme hierüber getrig gert werden.

Ein solches physiologisches Sensorsystem ist aus US 5 782 241 und US 6 052 614 bekannt. Bei diesem Sensorsystem sind meh rere Messelektroden vorhanden, die unmittelbar auf die Haut des Patienten aufgesetzt werden. Die Elektroden sind am unte ren Ende eines geschirmten Gehäuses angeordnet, wobei in dem Gehäuse ferner Hochfrequenzfiltereinrichtungen, denen jeweils eine Elektrode zugeordnet ist, sowie eine Differenzverstär kereinheit, ein Tiefpassfilter, ein elektrooptischer Wandler zur Wandlung der Messsignale in optische Signale, die über eine optische Datenleitung an eine externe Verarbeitungs- und Anzeigeeinrichtung gegeben werden, sowie eine Leistungsquelle in Form einer Batterie angeordnet ist. Sämtliche für den Auf nahme- und Vorverarbeitungsbetrieb der Messsignale relevanten Elemente sind also gemeinsam in dem Gehäuse angeordnet, das auf den Patienten aufzusetzen ist. Hieraus ergibt sich jedoch der Nachteil, dass aufgrund der beachtlichen baulichen Größe und der gleichzeitigen Integration der Messelektroden das Sensorsystem nahe am Herzen zu positionieren ist. Damit be steht aber die Gefahr, dass dieses Sensorsystem sich zumin dest teilweise im Bildgebungsbereich befindet, also in dem Bereich, von dem das Magnetresonanzbild aufgenommen werden soll. Dieses wird hierdurch zumindest beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein physiologisches Sensorsystem anzugeben, das die Bildaufnahme weitestgehend nicht beeinflusst und dennoch die möglichst unverfälschte Aufnahme der Messsignale ermöglicht.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einem physiologischen Sen sorsystem der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgese hen, dass die Messelektroden und die Signalverstärkereinrich tung in oder an einem ersten geschirmten Gehäuse und die Leistungsversorgung und die Elektronikeinrichtung in einem zweiten geschirmten Gehäuse angeordnet sind, wobei die Sig nalverstärkereinrichtung mit der Elektronikeinrichtung und der Leistungsversorgung über eine geschirmte und/oder ge drillte Kabelverbindung verbunden oder verbindbar ist.

Das erfindungsgemäße Sensorsystem umfasst zwei geschirmte Ge häuse, die nach Art eines Faraday'schen Käfig aufgebaut sind, und die die für die Messwertaufnahme und -vorverarbeitung er forderlichen Komponenten enthalten. Im ersten Gehäuse sind lediglich die Messelektroden und die Signalverstärkereinrich tung vorhanden. Dieses Gehäuse wird direkt auf den Patienten aufgesetzt, im Falle der Aufnahme eines EKG im herznahen Be reich. Da lediglich die Messelektroden - in der Regel drei - und die Signalverstärkereinrichtung in diesem Gehäuse integriert sind, ist es sehr klein, weshalb es so positioniert werden kann, dass eine exakte Messwertaufnahme möglich ist, es jedoch aufgrund seiner Größe die Bildaufnahme nicht we sentlich beeinflusst. Die aufgenommenen Messsignale werden über eine geschirmte oder gedrillte Kabelverbindung an das zweite Gehäuse und dort die Elektronikeinrichtung und die Leistungsversorgung gegeben. Über die geschirmte oder ge drillte Kabelverbindung wird sichergestellt, dass die analo gen und verstärkten Messsignale weitestgehend unbeeinflusst von den starken Magnetfeldern, die im Betrieb eines Magnetre sonanzgeräts anliegen, übertragen werden können. D. h., das Signal-Rausch-Verhältnis ändert sich praktisch nicht. Das zweite Gehäuse kann nun gänzlich abseits des bildrelevanten Untersuchungsbereichs positioniert werden. Die Länge der Ka belverbindung sollte zweckmäßigerweise im Bereich zwischen 20 -30 cm liegen, kann aber auch größer sein.

Die Signalverstärkereinrichtung sollte zweckmäßigerweise in unmittelbarer Nähe zu den Messelektroden angeordnet sein, um die Störsignaleinkopplung so klein wie möglich zu halten. Sind mehrere Messelektroden im Gehäuse angeordnet, so kann diesen eine gemeinsame Signalverstärkereinrichtung zugeordnet sein. Alternativ kann auch für jede Messelektrode ein eigener Verstärker vorgesehen sein.

Neben einer Systemkonfiguration mit einem ersten Gehäuse und einem zweiten Gehäuse ist es auch möglich, dass das System mehrere erste Gehäuse mit jeweils mehreren Messelektroden und zugeordneter Signalverstärkereinrichtung umfasst, wobei mit den Messelektroden je eines Gehäuses unterschiedliche Mess signale aufnehmbar sind, und wobei jede Signalverstärkerein richtung über eine separate geschirmte oder gedrillte Kabel verbindung mit der gemeinsamen Elektronikeinrichtung und der gemeinsamen Leistungsversorgung verbunden oder verbindbar ist. Bei diesem multifunktionalen Sensorsystem kann bei spielsweise das erste Gehäuse zur Aufnahme von EKG-Messsigna len und das andere erste Gehäuse zur Aufnahme von EEG-Messsignalen dienen. Beide sind, da sie lediglich die Elektroden und die Verstärkereinrichtung enthalten, sehr klein, die ge meinsame Signalaufbereitung erfolgt in dem gemeinsamen zwei ten Gehäuse.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Signalverstärkerein richtung bei zur Aufnahme von EKG-Messsignalen vorgesehenen Messelektroden allein zum Verstärken der Messsignale ausge bildet ist. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass die Verstärkereinrichtung auch zum Bilden von ableitungsspezifi schen Differenzsignalen ausgebildet ist. Im Rahmen einer EKG- Messung, die den Extremitätenableitungen nach Einthoven ent spricht, werden drei Messelektroden verwendet, die in unter schiedliche Richtungen ausgerichtet sind. Eine erste Mess elektrode zeigt zum linken Arm, eine zweite zum rechten Arm und eine dritte zum linken Bein. Als EKG-Messsignale werden jeweils Differenzsignale zwischen zwei Messelektroden aufge nommen. Jedes Differenzsignal entspricht einer Ableitung, wo bei insgesamt drei Ableitungen möglich sind, nämlich das ers te Differenzsignal der Messelektroden "linker Arm - rechter Arm", das zweite Differenzsignal "linkes Bein - rechter Arm" und das dritte Differenzsignal "linkes Bein - linker Arm". Aus verarbeitungstechnischen Gründen ist es zweckmäßig, wenn diese Differenzbildung bereits seitens der Verstärkereinrich tung erfolgt. Zur Verstärkung und/oder Differenzsignalbildung werden zweckmäßigerweise Operationsverstärker verwendet.

Die Elektronikeinrichtung selbst weist zweckmäßigerweise ein Signalkonvertierungsmodul und ein Signalübertragungsmodul auf, die beide mit der Leistungsversorgung gekoppelt sind. Unter dem Begriff "Modul" wird hier ganz allgemein eine mög lichst kleindimensionierte Schaltungsanordnung verstanden, die entweder der Signalkonvertierung oder der Signalübertra gung dient. Sämtliche hierfür erforderlichen Elemente können auf einer gemeinsamen Platine angeordnet sein. Da es natür lich auch ein Ziel ist, das zweite Gehäuse möglichst klein zu dimensionieren, ist eine gemeinsame Integration der Module zweckmäßig.

Das Signalkonvertierungsmodul sollte zweckmäßigerweise we nigstens ein Filter und wenigstens eine Wandlereinheit auf weisen. Als Wandler kann ein Analog-Digital-Wandler oder ein Spannungs-Frequenz-Wandler verwendet werden.

Sind mehrere Messsignaleingänge am zweiten Gehäuse bzw. an der Elektronikeinrichtung vorgesehen, so ist es zweckmäßig, wenn für jeden Messsignaleingang ein separates Filter vorge sehen ist, wobei die Filter über einen Multiplexer mit dem Wandler verbunden sind. Ein Filter ist zweckmäßigerweise für jeden Messsignaleingang vorgesehen, egal welcher Art die ge lieferten Messsignale sind, d. h., ob es sich beispielsweise um EKG- oder um EEG-Messsignale handelt, die gemeinsam im Multiplexbetrieb erfasst und ausgelesen werden können. Der Betrieb des Multiplexers ist zweckmäßigerweise über eine Steuereinrichtung von extern steuerbar, so dass von außen ü ber ein externes Signalverarbeitungs- und/oder Steuerungsge rät die Signalaufnahme gesteuert werden kann.

Die Leistungsversorgung kann eine Batterie oder einen Akkumu lator aufweisen, dem ein über eine externes Magnetfeld betä tigbarer Schalter zugeordnet ist. Diese Ausgestaltung ist in soweit zweckmäßig, als beim Betrieb des Magnetresonanzgeräts ein hinreichendes Magnetfeld anliegt, so dass der Schalter betätigt und der Versorgungskreis geschlossen wird. Sobald das Sensorsystem dem Magnetresonanzgerät entnommen ist, öff net sich der Schalter wieder, die Leistungsversorgung ist al so nicht kontinuierlich zugeschalten.

Alternativ dazu kann die Leistungsversorgung auch eine oder mehrere Solarzellen enthalten, die mit über eine Faseroptik zuführbarem Licht, insbesondere Laserlicht bestrahlbar ist. Eine dritte Erfindungsalternative sieht vor, dass die Leis tungsversorgung eine oder mehrere Solarzellen enthält, die mit über einen an der Gehäuseaußenseite angeordneten, Umge bungslicht einfangenden Fluoreszenzkollektor zuführbarem Licht bestrahlt wird. Bei einem solchen Fluoreszenzkollektor handelt es sich um ein Plattenmaterial aus Plexiglas, in das Fluoreszein und andere Fluorophore einpolymerisiert sind. Dieser Kollektor sammelt auftreffendes diffuses Umgebungs licht, das an seiner Stirnseite konzentriert und über einen schmalen Bereich austritt. Dieses konzentrierte Licht trifft erfindungsgemäß auf die Solarzellengestalt, die dann ihrer seits Energie erzeugt.

Eine vierte Erfindungsalternative sieht schließlich vor, dass die Leistungsversorgung wenigstens einen Kondensator enthält, der mit an der Gehäuseaußenseite angeordneten Spulen, die beim Anlegen eines externen Wechselmagnetfelds eine Spannung liefern, verbunden ist. Bei dieser Erfindungsausgestaltung macht man sich das beim Betrieb des Magnetresonanzgeräts oh nehin anliegende Magnetfeld zunutze, indem gehäuseaußenseitig Spulen angeordnet sind, in denen magnetfeldbedingt eine Wech selspannung induziert wird, die nach Gleichrichtung zum Auf laden eines Kondensators dient, der dann die einzelnen Sys temelemente mit Leistung versorgt.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn den So larzellen wenigstens ein Speicherkondensator mit einer Spei cherkapazität ≧ 1 F zugeordnet ist, der im Betrieb Leistung bereitstellt. Dieser Speicherkondensator, der in der Fachwelt auch als "Ultra Cap" oder "Gold Cap" bekannt ist, besitzt ei ne relativ hohe Kapazität, kann also hinreichend viel Leis tung speichern, die er dann im Betrieb abgibt. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Systemelemente auch dann mit Span nung versorgt werden, wenn die von den Solarzellen oder dem wenigstens einen mit den Spulen verbundenen Kondensator ge lieferte Leistung nicht ausreicht. Der Speicherkondensator ist zweckmäßigerweise in einer externen Ladestation wieder aufladbar. Bei der Verwendung von Solarzellen würde die Ladestation möglichst energiereiches Licht erzeugen, um eine kur ze Ladezeit zu gewährleisten.

Das Signalübertragungsmodul kann nach einer ersten Erfin dungsausgestaltung ein Funkübertragungsmodul sein, mit wel chem die aufgenommenen, verstärkten und anschließend konver tierten Messsignale drahtlos an die externe Verarbeitungsein richtung übertragen werden.

Eine Alternative sieht dem gegenüber vor, dass das Signal übertragungsmodul ein Infrarotübertragungsmodul mit mindes tens einer Infrarotübertragungsdiode mit zugeordneter aus dem Gehäuse aber nicht zum Empfänger führender, optischer Leitung ist, wobei zweckmäßigerweise mehrere Dioden, insbesondere drei vorgesehen sein können, denen jeweils eine optische Lei tung zugeordnet ist.

Nach einer dritten Erfindungsausgestaltung kann das Signal übertragungsmodul ein faseroptisches Übertragungsmodul mit mindestens einer Übertragungsdiode mit zugeordneter Faserop tikleitung sein. Eine vierte Ausführungsalternative schlägt schließlich vor, dass das Signalübertragungsmodul ein Ultra schallwellenmodul mit mindestens einem Ultraschallwandler ist.

Wie bereits ausgeführt, ist es zweckmäßig, wenn der Multiple xer von außen steuerbar ist. Zu diesem Zweck kann am Signal übertragungsmodul ein Eingang für die externe Steuerleitung vorgesehen sein, wobei die Steuersignale über interne Steuer leitungen vom Signalübertragungsmodul an das Signalkonvertie rungsmodul, gegebenenfalls über die Leistungsversorgung durchgeschleift werden. Dabei ist es zweckmäßig, wenn der am Signalübertragungsmodul vorgesehenen internen Steuerleitung ein optischer Empfänger zugeordnet ist, der die über die op tische Steuerleitung gegebenen optischen Steuersignale in e lektrische Steuersignale umsetzt. Eine zweite Alternative sieht vor, dass bei einer Ausgestaltung des Signalübertragungsmoduls als Ultraschallwellenmodul die Ultraschallsignal leitung zur Übertragung auch der Steuersignale dient, sie wird also gleichzeitig als Hin- und Rückleitung eingesetzt. Die Steuersignale werden von dem Ultraschallwandler in elekt rische Steuersignale umgesetzt, die dann über die interne Steuerleitung weitergegeben werden.

Wie beschrieben, ist es beim erfindungsgemäßen Sensorsystem möglich, mehrere erste Gehäuse zur Aufnahme unterschiedlicher elektrischer Messsignale vorzusehen. Um die Mulitfunktionali tät des Sensorsystems noch weiter zu erhöhen, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn am zweiten Gehäuse wenigstens noch ein weiteres Sensorelement, das nicht-elektrische Messinfor mationen aufnimmt, angeschlossen oder anschließbar ist, wobei die Elektronikeinrichtung entsprechende Mittel zum Wandeln der nicht-elektrischen Messinformationen in elektrische Mess signale aufweist. Als ein weiteres Sensorelement kann ein op tisches Sensorelement, insbesondere ein Fingerring vorgesehen sein, der beispielsweise um den Finger eines Patienten gelegt wird und mittels Durchleuchtung und Absorptionsmessung den peripheren Puls des Patienten misst. Dieses optische Sensor element liefert optische Messinformationen, die über eine fa seroptische Leitung an die Elektronikeinrichtung geführt wer den, wo ein optoelektronischer Wandler zum Wandeln in elekt rische Messsignale vorgesehen ist. Alternativ kann das we nigstens eine weitere Sensorelement ein pneumatisches Sensor element, insbesondere ein flexibler Brustring sein, der um die Brust des Patienten gelegt wird und mittels dem die Atem tätigkeit messbar ist. Dieser Brustring hat ein komprimierba res Luftvolumen, das über eine Druckleitung mit einem Druck sensor in die Elektronikeinrichtung gekoppelt ist. Da sich atmungsbedingt das Luftvolumen und damit der Druck ändert, liegt am Drucksensor ein sich kontinuierlich ändernder Druck an, der in entsprechende elektrische Messsignale gewandelt werden kann.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er geben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbei spielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung des ersten geschirmten Ge häuses mit der Signalverstärkereinrichtung, darge stellt in Form der Schaltungsanordnung,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform des ersten Gehäuses mit Signalverstärkereinrichtung und

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform des ersten Gehäuses,

Fig. 5 eine Prinzipskizze des Signalkonvertierungsmoduls im zweiten geschirmten Gehäuse gemäß einer ersten Ausführungsform

Fig. 6 eine Darstellung des Signalkonvertierungsmoduls ei ner zweiten Ausführungsform,

Fig. 7 eine Darstellung des Signalkonvertierungsmoduls ei ner dritten Ausführungsform,

Fig. 8 eine Darstellung der Leistungsversorgungseinrich tung im zweiten geschirmten Gehäuse gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig. 9 eine Darstellung des Leistungsversorgungsmoduls im zweiten Gehäuse gemäß einer zweiten Ausführungs form,

Fig. 10 eine Darstellung des Leistungsversorgungsmoduls des zweiten Gehäuses gemäß einer dritten Ausführungs form,

Fig. 11 eine Darstellung des Leistungsversorgungsmoduls in einer vierten Ausführungsform im zweiten Gehäuse,

Fig. 12 eine Darstellung des Signalübertragungsmoduls des zweiten geschirmten Gehäuses gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig. 13 eine Darstellung des Signalübertragungsmoduls des zweiten Gehäuses einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 14 eine Darstellung des Signalübertragungsmoduls des zweiten Gehäuses einer dritten Ausführungsform, und

Fig. 15 eine Darstellung des Signalübertragungsmoduls einer vierten Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes physiologisches Sensorsys tem 1 in Form einer Prinzipdarstellung. Das Sensorsystem um fasst ein erstes Gehäuse 2, an dem im gezeigten Beispiel drei Elektroden 3, 4, 5 angeordnet sind, die beispielsweise zur Aufnahme eines EKG ausgebildet sind. Im ersten Gehäuse 2 ist ferner eine Signalverstärkereinrichtung 6 angeordnet, die die über die Elektroden 3, 4, 5 gelieferten Signale verstärkt. Über eine geschirmte oder gedrillte Kabelverbindung 7 werden die Messsignale an ein Signalkonvertierungsmodul 8, das in einem zweiten geschirmten Gehäuse 9 angeordnet ist, gegeben. Dort werden die Signale konvertiert und anschließend über ein Signalübertragungsmodul 10 an ein externes Signalverarbei tungs- und/oder Steuerungsgerät 11 gegeben. Im zweiten Ge häuse 9 ist ferner eine Leistungsversorgung 12 angeordnet, die das gesamte Sensorsystem mit Leistung versorgt.

Wie Fig. 1 ferner zeigt, ist ein zweites erstes Gehäuse 13 vorgesehen, an dem im gezeigten Beispiel ebenfalls zwei E lektroden 14, 15 angeordnet sind. Diese sind beispielsweise zur Aufnahme von EEG-Messsignalen ausgebildet. Selbstverständlich können auch mehr als zwei Elektroden vorgesehen sein. Auch in diesem erstem geschirmten Gehäuse 13 ist eine Signalverstärkereinrichtung 16 angeordnet, die die Signale vor Ort, also unmittelbar am Messort verstärkt. Über eine ge schirmte oder gedrillte Kabelverbindung 17 werden auch diese Messsignale an das Signalkonvertierungsmodul 8 gegeben und entsprechend aufbereitet.

Weiterhin ist am zweiten geschirmten Gehäuse 8 ein weiteres Sensorelement 18 angeschlossen, bei dem es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um einen flexiblen Brustring handelt, ü ber den die Atmung des Patienten aufgenommen werden kann. Dieser umfasst ein komprimierbares Luftvolumen 19, das beim Heben und Senken des Brustkorbs entsprechend komprimiert oder gedehnt wird. Über eine pneumatische Verbindungsleitung 20 wird der sich ändernde Druck auf einen entsprechenden Sensor im Signalkonvertierungsmodul 8 gegebenen, worauf nachfolgend noch eingegangen wird. Weiterhin ist ein zweites Sensorele ment 21 in Form eines Fingerrings am zweiten Gehäuse 9 ange schlossen, mittels welchem der periphere Puls des Patienten durch IR-Absorption des Blutes gemessen werden kann. Die auf genommenen nicht-elektrischen Messinformationen (auch bei den mittels des Sensorelements 18 aufgenommenen Informationen handelt es sich um nicht-elektrische Messinformationen) wer den hier über faseroptische Leitungen 22 an ein entsprechen des Sensorelement im Signalkonvertierungsmodul 8 gegeben.

Fig. 2 zeigt als Prinzipskizze in vergrößerter Darstellung das erste Gehäuse 2 mit einer Schaltungsanordnung einer ers ten Ausführungsform. Im gezeigten Beispiel sind die Elektro den 3, 4, 5 dargestellt, wobei auch mehrere Elektroden ange schlossen werden können, die hier bis zum Bezugszeichen n durchnummeriert sind. Jeder Elektrode 3, 4, 5, . . ., n ist ein Operationsverstärker 23 zugeordnet, der zum Verstärken der Messsignale dient. Die verstärkten Messsignale werden an ent sprechende Signalausgänge 24 gegebenen, die dort mit Ch₁, Ch₂, . . ., Ch_n gekennzeichnet sind. Gezeigt sind ferner die Eingänge 25 für die Versorgungsspannung.

Eine zweite Ausführungsform eines ersten Gehäuses mit Signal verstärkereinrichtung ist in Fig. 3 gezeigt. Am Gehäuse 2 sind wiederum drei Elektroden 3, 4, 5 vorgesehen, denen auch hier jeweils ein Operationsverstärker 23 nachgeschaltet ist. Die Signalverstärkereinrichtung gemäß Fig. 3 umfasst jedoch neben den Operationsverstärkern 23 weitere Operationsverstär ker 26, die mit den Operationsverstärkern 23 derart verschal tet sind, dass ein ableitungsspezifisches Differenzsignal ü ber die Ausgänge 24 ausgegeben wird. Insgesamt sind aufgrund der Ausrichtung der drei Elektroden 3, 4, 5 drei Ableitungen möglich, nämlich "linker Arm - rechter Arm", "linkes Bein - rechter Arm" und "linkes Bein - linker Arm". Es werden also im Gegensatz zur Ausführungsform nach Fig. 2, wo die ver stärkten Ist-Signale ausgegeben werden, hier bereits die vor verarbeiteten Differenzsignale ausgegeben. Die Ausgabe bzw. Übertragung erfolgt jeweils über die geschirmte Kabelverbin dung.

Schließlich zeigt Fig. 4 eine weitere erfindungsgemäße Aus führungsform eines ersten Gehäuses 2. An diesem Gehäuse 2 sind in diesem Fall nicht fest, sondern über kurze Kabelver bindungen beweglich drei Elektroden 3, 4, 5 angeordnet, die auf den Patienten aufgeklebt und je nach gewünschter Ablei tung positioniert werden können. Die Elektroden 3 und 4 die nen zur Messsignalaufnahme, die Elektrode 5 liegt an Masse und dient als Referenz. Ersichtlich ist, dass auch hier jeder Elektrode 3, 4 ein Operationsverstärker 23 sowie ein gemein samer zweiter Operationsverstärker 26 zur Differenzsignalbil dung nachgeschalten. Da hier nur ein Signal zwischen den bei den Elektroden 3, 4 ermittelt wird, ist hier nur ein Signal ausgang 24 vorgesehen.

Fig. 5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Signalkonver tierungsmoduls 27, das im zweiten geschirmten Gehäuse 9 angeordnet ist. An den Eingängen 28 liegen die über die Ausgänge 24 gelieferten verstärkten Signale oder die Differenzsignale an, die Ausgänge 29 dienen zum Durchschleifen der Versor gungsspannung.

Jedem der Eingänge 28 ist im gezeigten Beispiel ein Filter 30, im gezeigten Beispiel zweckmäßigerweise ein Slewrate-Fil ter (z. B. gemäß Patent EP 0 173 130) nachgeschalten, um die Signale vom Rauschen zu filtern. Über einen Wandler 31, bei dem es sich um einen Analog-Digital-Wandler oder einen Span nungs-Frequenz-Wandler handeln kann, werden die analogen Sig nale in digitale gewandelt, die über den seriellen Ausgang 32 an ein nachfolgendes Modul ausgegeben werden. Die unter schiedlichen Eingänge werden über einen Multiplexer 33 im Multiplexbetrieb angesteuert, wobei der Multiplexer 33 über eine Steuerleitung 34 vom Bediener angesteuert werden kann, so dass auf Wunsch beliebige Signale ausgelesen werden kön nen.

Fig. 5 zeigt ferner die Eingänge 35, 36, an denen die Signal leitungen der weiteren Sensorelemente 18 bzw. 21 anliegen. Die faseroptischen Leitungen 22 übertragen ihre Signale auf einen optoelektronischen Wandler 37, der die optischen Signa le in elektrische Messsignale wandelt, wobei der optoe lektronische Konverter 37 wiederum mit dem Multiplexer 33 verbunden ist. Die Drucksignale, die über die Druckleitung 20 zugeführt werden, werden auf einen Drucksensor 38 gegeben, der ebenfalls elektrische Signale ausgibt und der auch mit dem Multiplexer 33 verbunden ist. In Fig. 5 sind ferner noch die entsprechenden Eingänge 39 für die durchgeschleifte Ver sorgungsspannung dargestellt.

Eine zweite Erfindungsalternative des Signalkonvertierungsmo duls zeigt Fig. 6. Der Aufbau entspricht insoweit dem Signal konvertierungsmodul 27, jedoch zeigt das Signalkonvertie rungsmodul 40 gemäß Fig. 6 eine dem Multiplexer 33 zugeord nete Dekodiereinrichtung 41, die den Multiplexer derart steuert, dass die richtigen Differenzsignale der gewünschten Ab leitung ausgegeben werden. Während das Signalkonvertierungs modul 27 mit dem ersten Gehäuse gemäß Fig. 2 kombiniert wer den kann, kann das Signalkonvertierungsmodul 40 mit dem ers ten Gehäuse gemäß Fig. 3 kombiniert werden.

Ein Signalkonvertierungsmodul 41, das mit dem ersten Gehäuse gemäß Fig. 4 kombiniert werden kann, zeigt Fig. 7. Da hier lediglich ein Eingangskanal 28 vorhanden ist, kann dieses Signal direkt ohne Zwischenschaltung eines Multiplexers auf den Wandler 31 gegeben werden, der ebenfalls über eine Steu erleitung 34 gesteuert werden kann.

Fig. 8 zeigt eine Leistungsversorgung 42 einer ersten Ausfüh rungsform, die im zweiten geschirmten Gehäuse 9 angeordnet ist. Über entsprechende Ein- und Ausgänge 43, 44 bzw. 45, 46 werden die gewandelten seriellen Daten über eine Datenleitung 47 bzw. die Steuersignale über die Steuersignalleitung 34 durch dieses Leistungsversorgungsmodul durchgeschleift. Da dieses Modul lediglich der Leistungsversorgung dient, findet hier keine Signalbearbeitung statt.

Die Leistungsversorgung 42 umfasst eine Batterie 48, die über einen über ein externes Magnetfeld betätigbaren Schalter 49, zweckmäßigerweise einen Reed-Schalter zu- oder abgeschalten werden kann. Das bedeutet, dass die Leistungsversorgung dann, wenn der Patient in dem Magnetresonanzgerät ist und dies ein geschalten wird, automatisch über das externe Magnetfeld zu geschalten wird, und wenn der Patient aus dem Gerät gefahren wird, entsprechend abgeschaltet wird. Der Batterie 48 ist ferner ein DC-DC-Konverter 50 mit entsprechender zugeordneter Schaltungsanordnung zugeordnet, wobei die zugeschaltete Schaltungsanordnung u. a. zur Mittelspannungserzeugung für die Operationsverstärker vorgesehen ist, wobei die Mittel spannung zu Symmetriezwecken dient. Der DC-DC-Spannungskon verter selbst macht aus der ungeregelten Spannung der Batte rie eine geregelte Spannung. Die zu regelnde Spannung erhält der Konverter über einen Kondensator 51, der über die Batte rie 48 aufgeladen wird und eine geglättete Spannung zur Ver fügung stellt.

Fig. 9 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Leistungsver sorgung 52. Der Aufbau entspricht im wesentlichen der Leis tungsversorgung gemäß Fig. 8, jedoch sind hier zur Spannungs erzeugung mehrere Solarzellen 53 vorgesehen, die mit Licht, bevorzugt Laserlicht, bestrahlt werden, das über eine faser optische Leitung 54 von außen zugeführt wird. Die von den Zellen 53 erzeugte Spannung lädt wiederum einen Kondensator 51 auf, dessen Spannung über einen nachgeschalteten DC-DC- Konverter 50 auf eine konstante Spannung konvertiert wird.

Ein dritte erfindungsgemäße Ausführungsform einer Leistungs versorgung 55 zeigt Fig. 10. Auch hier sind mehrere Solarzel len 53 vorgesehen, wobei diese in diesem Ausführungsbeispiel mit Licht bestrahlt werden, das über einen Fluoreszenzkollek tor 56, der an der Außenseite des geschirmten zweiten Gehäu ses 9 angeordnet ist, gesammelt und konzentriert wird. Auch hier wird ein Kondensator 51 über die Solarzellenspannung aufgeladen. Der prinzipielle Aufbau entspricht dem der Leis tungsversorgungen gemäß Fig. 8 und 9. Zusätzlich ist hier je doch ein Speicherkondensator 57 zugeordnet, der eine hohe Ka pazität von ≧ 1 F aufweist, und der vor dem Einsatz des Sen sorsystems in einer externen Ladestation aufgeladen werden kann, zusätzlich aber im Betrieb durch die Solarzellen aufge laden wird. Über diesen Hochleistungskondensator wird sicher gestellt, dass der Kondensator 51 stets geladen ist, selbst wenn - aus welchem Grund auch immer - die Solarzellenspannung ausfällt oder zu gering ist. Derartige Kondensatoren sind im Handel unter dem Namen "Ultra-Cap" oder "Gold Cap" bekannt.

Eine vierte Ausführungsform einer Leistungsversorgung 58 zeigt Fig. 11. Hier werden die Kondensatoren 57 und 51 über zwei oder mehrere an der Gehäuseaußenseite angeordnete Induk tionsspulen 59 mit Spannung versorgt. In die Spulen 59 wird vom anliegenden Magnetfeld des Magnetresonanzgeräts im Be trieb eine Spannung induziert, die zum Aufladen der Kondensa toren 57 und 51 dient.

Es ist noch darauf hinzuweisen, dass die Ein- und Ausgänge, wie sie bezüglich Fig. 8 beschrieben sind, auch bei den ein zelnen Leistungsversorgungen gemäß Fig. 9-11 vorgesehen sind. Ferner sind entsprechende Spannungsausgänge 60 zu bei den Seiten der jeweiligen Leistungsversorgung vorgesehen, um die entsprechenden an die jeweilige Leistungsversorgung ange schlossenen Module zu versorgen.

Fig. 12 zeigt eine erste Ausführungsform eines Signalübertra gungsmoduls 61, das im zweiten geschirmten Gehäuse 9 angeord net ist. Dieses Signalübertragungsmodul ist als Funkübertra gungsmodul ausgebildet und umfasst eine zentrale Sende- Empfänger-Einheit 62, der über die Signalleitung 47 die ein gehenden seriellen Daten gegeben werden. Über die Signallei tung 34 werden die von extern gegebenen Steuersignale zum je weils nachfolgenden Modul, z. B. einem der in den Fig. 8-11 gezeigten Leistungsversorgungsmodule gegeben. Die Sende- Empfänger-Einheit 62 ist über geeignete Tiefpass- und Hoch passfilter 63, 64 mit einer RF-Antenne 65 gekoppelt, über die die aufgenommenen Messsignale an das externe Signalverarbei tungs- und/oder Steuerungsgerät 11 gegeben werden. Entspre chend können über die RF-Antenne 65 natürlich auch externe Steuersignale empfangen werden, die über die Steuersignallei tung 34 weitergegeben werden.

Eine zweite Ausführungsform ist in Fig. 13 dargestellt. Das dort gezeigte Signalübertragungsmodul 66 ist als Infrarot- Übertragungsmodul ausgebildet und umfasst drei Infrarot- Übertragungsdioden 67, von denen jeweils eine einem spezifi schen Elektrodensignal zugeordnet ist. Den Infrarot- Übertragungsdioden 67 ist jeweils eine optische Leitung 68 zugeordnet, in die die Infrarotsignale eingekoppelt werden und über die die Signale an das externe Signalverarbeitungs- und/oder Steuerungsgerät 11 übertragen werden.

Fig. 13 zeigt ferner eine weitere Möglichkeit, wie Steuersig nale an das Sensorsystem 1 übertragen werden können. Gezeigt ist eine optische Leitung 72, über die Steuersignale, z. B. IR-Signale auf einen Empfangssensor 73, z. B. einen IR- Fototransistor gegeben werden, wo die optischen Signale in entsprechende elektrische Steuersignale gewandelt werden, die dann über die Steuersignalleitung 34 weitergegeben werden können.

Fig. 14 zeigt eine dritte Ausführungsform eines erfindungsge mäßen Signalübertragungsmoduls 69. Dieses ist als faseropti sches Übertragungsmodul ausgebildet und umfasst lediglich ei ne Übertragungsdiode 70, der eine Faseroptikleitung 71 zuge ordnet ist.

Eine letzte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Signal übertragungsmoduls 74 zeigt Fig. 15. Die seriellen Messsigna le werden hier auf einen Oszillator 75 gegeben, der einen ersten Ultraschallwandler 76 ansteuert, und über den die e lektrischen Messsignale in akustische Signale gewandelt wer den. Diese akustischen Signale werden über eine Schallsignal leitung 77 weitergeführt, die mit einer Schallsignalleitung 78 gekoppelt ist, die die Signale an das externe Signalverar beitungs- und/oder Steuerungsgerät weiterleitet, wo die Sig nale wiederum gewandelt und weiterverarbeitet werden. Über diese Leitung 78 können auch entsprechende akustischen Steu ersignale zugeführt werden, die über einen zweiten Ast der Schallwellenleitung 77 auf einen zweiten Ultraschall-Wandler 79 gegeben werden können, wo die Schallwellen wiederum in e lektrische Signale gewandelt werden. Über einen Ultraschall detektor 80 werden die gewandelten Signal dann an die Steuer signalleitung 34 gegeben.

Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass es sich bei sämtli chen dargestellten Schaltungsanordnungen lediglich um Ausfüh rungsbeispiele handelt, die keinesfalls beschränkend sind. Es steht im Belieben des Fachmanns die Schaltungsanordnungen zu vereinfachen, weiter auszugestalten oder geeignet zu kombi nieren.

Claims

1. Physiologisches Sensorsystem zur Aufnahme elektrischer Messsignale in einer die Aufnahme beeinträchtigenden Umge bung, insbesondere in einem Magnetresonanzgerät, mit mehreren Messelektroden sowie einer Signalverstärkereinrichtung, einer Leistungsversorgung und einer Elektronikeinrichtung zur Sig nalkonvertierung und Signalübertragung an ein externes Signalverarbeitungs- und/oder Steuerungsgerät, da durch gekennzeichnet, dass die Messelektroden (3, 4, 5, 14, 15, n) und die Signalverstärker einrichtung (6, 16, 81, 82, 83) in oder an einem ersten ge schirmten Gehäuse (2, 13) und die Leistungsversorgung (42, 52, 55, 58) und die Elektronikeinrichtung in einem zweiten geschirmten Gehäuse (9) angeordnet sind, wobei die Signalver stärkereinrichtung (6, 16, 81, 82, 83) mit der Elektronikein richtung und der Leistungsversorgung (42, 52, 55, 58) über eine geschirmte und/oder gedrillte Kabelverbindung (7, 17) verbunden oder verbindbar ist.

2. Physiologisches Sensorsystem nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass die Sig nalverstärkereinrichtung (6, 16, 81, 82, 83) in unmittelbarer Nähe zu den Messelektroden (3, 4, 5, n) angeordnet ist.

3. Physiologisches Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es mehrere erste Gehäuse (2, 13) mit jeweils mehreren Messelekt roden (3, 4, 5, 14, 15, n) und zugeordneter Signalverstärker einrichtung (6, 16, 81, 82, 83) umfasst, wobei mit den Mess elektroden (3, 4, 5, 14, 15, n) je eines Gehäuses (2, 13) un terschiedliche Messsignale aufnehmbar sind, und wobei jede Signalverstärkereinrichtung (6, 16, 81, 82, 83) über eine se parate geschirmte und/oder gedrillte Kabelverbindung (7, 17) mit der gemeinsamen Elektronikeinrichtung und der gemeinsamen Leistungsversorgung verbunden oder verbindbar ist.

4. Physiologisches Sensorsystem nach Anspruch 3, da durch gekennzeichnet, dass die Messelektroden (3, 4, 5, n) eines ersten Gehäuses (2) zur Aufnahme von EKG-Messsignalen und die Messelektroden (14, 15) eines anderen ersten Gehäuses (13) zur Aufnahme vom EEG- Messsignalen dienen.

5. Physiologisches Sensorsystem nach einem der vorangehen den Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass die Signalverstärkereinrichtung (81, 82, 83) bei zur Aufnahme von EKG-Messsignalen vorgesehenen Messelekt roden allein zum Verstärken der Messsignale oder auch zum Bilden von ableitungsspezifischen Differenzsignalen ausgebil det ist.

6. Physiologisches Sensorsystem nach Anspruch 5, da durch gekennzeichnet, dass zur Ver stärkung und/oder Differenzsignalbildung Operationsverstärker (23, 26) vorgesehen sind.

7. Physiologisches Sensorsystem nach einem der vorangehen den Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass die Elektronikeinrichtung ein Signalkonver tierungsmodul (27, 40, 41) und ein Signalübertragungsmodul (61, 66, 69, 74) aufweist, die beide mit der Leistungsversor gung (42, 52, 55, 58) gekoppelt sind.

8. Physiologisches Sensorsystem nach Anspruch 7, da durch gekennzeichnet, dass das Sig nalkonvertierungsmodul (27, 40, 41) wenigstens ein Filter (30) und wenigstens eine Wandlereinheit (31) aufweist.

9. Physiologisches Sensorsystem nach Anspruch 8, da durch gekennzeichnet, dass der Wandler (31) ein Analog-Digital-Wandler oder ein Spannungs- Frequenz-Wandler ist.

10. Physiologisches Sensorsystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Messsignaleingang (28) ein separates Filter (30) vorge sehen ist, wobei die Filter (30) über einen Multiplexer (33) mit dem Wandler (31) verbunden sind.

11. Physiologisches Sensorsystem nach Anspruch 10, da durch gekennzeichnet, dass der Be trieb des Multiplexers (33) über eine Steuerleitung (34) von extern steuerbar ist.

12. Physiologisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsversorgung (42) eine Batterie (48) oder ei nen Akkumulator aufweist, dem ein über ein externes Magnet feld betätigbarer Schalter (49) zugeordnet ist.

13. Physiologisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet dass die Leistungsversorgung (52) eine oder mehrere Solarzel len (53) enthält, die mit über eine Faseroptik (54) zuführba rem Licht bestrahlbar sind.

14. Physiologisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsversorgung (55) eine oder mehrere Solarzel len (53) enthält, die mit über einen an der Gehäuseaußenseite angeordneten, Umgebungslicht einfangenden Fluoreszenzkollek tor (56) zuführbarem Licht bestrahlbar sind.

15. Physiologisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsversorgung (58) wenigstens einen Kondensa tor (51) enthält, der mit an der Gehäuseaußenseite angeordne ten Spulen (59), die bei Anliegen eines externen Magnetfelds eine Spannung liefern, verbunden ist.

16. Physiologisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass den Solarzellen (53) bzw. dem wenigstens einen Kondensa tor (51) wenigsten ein Speicherkondensator (57) mit einer Ka pazität ≧ 1 F zugeordnet ist, der im Betrieb Leistung bereit stellt und insbesondere durch die Solarzellen (53) im Betrieb nachgeladen werden kann.

17. Physiologisches Sensorsystem nach Anspruch 16, da durch gekennzeichnet, dass der Speicherkondensator (57) in einer externen Ladestation auf ladbar ist.

18. Physiologisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Signalübertragungsmodul (61) ein Funkübertragungsmo dul, insbesondere auf Hochfrequenzbasis, ist.

19. Physiologisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Signalübertragungsmodul (66) ein Infrarotübertra gungsmodul mit mindestens einer Infrarotübertragungsdiode (67) mit zugeordneter optischer Leitung (68) ist.

20. Physiologisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Signalübertragungsmodul (69) ein faseroptisches Ü bertragungsmodul mit mindestens einer Übertragungsdiode (70) mit zugeordneter Faseroptikleitung (71) ist.

21. Physiologisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Signalübertragungsmodul (74) ein Ultraschallwellen modul mit mindestens einem Ultraschallwandler (76) ist.

22. Physiologisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass am Signalübertragungsmodul (66, 74) ein Eingang für die externe Steuerleitung vorgesehen ist, wobei die Steuersignale über interne Steuerleitungen (34) vom Signalübertragungsmodul an das Signalkonvertierungsmodul, gegebenenfalls über die Leistungsversorgung durchgeschleift werden.

23. Physiologisches Sensorsystem nach Anspruch 22, da durch gekennzeichnet, dass der am Signalübertragungsmodul vorgesehenen internen Steuerleitung (34) ein optischer Empfänger (73) zugeordnet ist, der die ü ber die optische Steuerleitung (72) gegebenen optischen Steu ersignale in elektrische Steuersignale umsetzt.

24. Physiologisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine an dem als Ultraschallwellenmodul ausgebildeten Signalübertragungsmodul (74) angeordnete Ultraschallsignal leitung (78) zur Übertragung der Steuersignale dient, die von dem wenigstens einen modulseitig vorgesehenen Ultraschall wandler (79) in elektrische Steuersignale umgesetzt werden.

25. Physiologisches Sensorsystem nach einem der vorangehen den Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass am zweiten Gehäuse (9) wenigstens ein weite res Sensorelement (18, 21), das nicht-elektrische Messinfor mationen aufnimmt, angeschlossen oder anschließbar ist, wobei die Elektronikeinrichtung entsprechende Mittel zum Wandeln der nicht-elektrischen Messinformationen in elektrische Mess signale aufweist.

26. Physiologisches Sensorsystem nach Anspruch 25, da durch gekennzeichnet, dass das we nigstens eine weitere Sensorelement (21) ein optisches Sen sorelement, insbesondere ein Fingerring ist, wobei die opti schen Messinformationen über wenigstens eine faseroptische Leitung (22) an die Elektronikeinrichtung geführt werden, wo ein optoelektronischer Wandler (37) zum Wandeln in elektri sche Messsignale vorgesehen ist.

27. Physiologisches Sensorsystem nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine weitere Sensorelement (18) ein pneumatisches Sensorelement, insbesondere ein flexibler Brustring ist, der über eine Druckleitung (20) mit der Elektronikeinrichtung ge koppelt ist, wo ein Drucksensor (38) zum Wandeln in elektri sche Messsignale vorgesehen ist.