DE2009733A1

DE2009733A1 - Medizinische Gerategruppe

Info

Publication number: DE2009733A1
Application number: DE19702009733
Authority: DE
Inventors: Heinrich v Dipl Ing Meyer Hans Jürgen Dipl Ing 8520 Erlangen Bunau
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1970-03-03
Filing date: 1970-03-03
Publication date: 1971-09-16
Also published as: FR2081655A1; CH550576A; DE2009733B2; AT324538B

Description

Medizinische Gerätegruppe

Sie Erfindung bezieht sieh auf; eine öediziniabhe Gerätegruppe, bestehend ausinmediziniseh genutzteniiäumeh befindlichen Geräten höherer Sicherheitskiaase (YM 0750), z*B* ülektrokardiograph, J31ektroeneephalögraph und dergleichen, sowie aus daran über Signalleitungen angeschlossenen außerhalb dieser Eäume be<findlichen Verarbeitungen- bzw* Anzeigegeräten geafingerer Sicher-« heitsklasse, a.B. einer Datenverarbeitungsanlage> die beispieleweise die vom Elektrokardlographen erfaJ3ten Signaljs analysiert und gegebenenfalls durch Äückmeldung das lirgebnis auf eineai Sichtgerät im mediÄinisoh ^enutaten Baum anzeigt»

Im Stiirungefall, d*h. bei Störungen in den Verarbeitung*-^ bz>r. Anzeigegeräten oderin aem Signalleitungen 'selbst, kann ee vorkoiiinen, daß Über die Signalleitungen zu den Geräten höherer Sicherheitsklasse eine Störapannung bia in Höhe der verwendeten Netzspannung übertragen wird. In einem solchen Falle besteht aufgrund der hohen durch die Störapannung -verursachten Ableitströme Lebensgefahr für den Patienten, der 3^f* über extern oder sogar intarn angebrachte Elektroden mit dem jeweiligan Gerät, der höheren SieherheitöklaoaÄ _% ä,B_o älektrokardlograph, galvanisch iat, ^;_^;::; .;. -^-"■■-.";- ■:-:,■". / ,/"'. - ^:-' --- ' - -'

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Damit verlieren die an diesen Geräten höherer Sicherheitsklasso getroffenen Schutzmaßnahmen ihre Wirkung. Im allgemeinen besteht keine Möglichkeit, die Schutzmaßnahmen, wie eie für die Sichorheiteklaaae für medizinisch genutzte Räume gefordert werden, über daa gesamte Ausbreitungsgebiet der öignalleitungen bzw. der daran angeschlossenen Verarbeitunga- bzw. Anzeigegeräte auszudehnen. Um dennoch eine ausreichende Absicherung der Geräte höherer ßicherheitsklaese bzw, der. damit verbundenen Patienten zu gewährleisten, schlägt die Erfindung vor, daß in den Signalleitungen - möglichst nahe den Geräten höherer Sicherheitaklasse - galvanisch trennende Koppelstellen eingeschaltet werden mit einem den für Geräte höherer Sicherheitsklasse maximal zulässigen Wert nicht überschreitenden Ableitstrom bei im Störungsfall an den Signalleitungen außerhalb der Häume anliegender Netaspannung.

Da der Frequenzinhalt der zu übertragenden ülektrogramme im allgemeinen 400 Hs (frequenzInhalt der K-Zacke tines Sltktrokardiograrnms maximal bis etwa 100 Hs) nicht übersteigt und beträchtliche Gleichanteile beinhaltet, soll jede Koppelstelle vorzugsweise für die Übertragung niedrigster Frequenzen, inabesondere zwischen O - 400 Hz geeignet sein, ohne daß dabei die im Störungefall übertragenen Abltitatröet den zulässigen Vert überschreiten. Ia Rahmen der Srfindung wird su dleeea Zwtck vorgeschlagen, jede KoppelBtelle in Richtung der su übertragenden Information zu bilden im wesentlichen aus einem Modulator mit einem Modulationsgenerator, einem vorzugsweise kapaeitiven Kopplungsglied und einem Demodulator. Kapazitive Kopplungaglieder sind billig, besitzen eine hohe Lebensdauer (Alterung kann praictiach vernachlässigt werden) und erfüllen die nach YDE festgelegten Bedingungen bezüglich der Spannungsfestigkeit. Die Modulation dor Signale erlaubt die Verwendung von KoppelkondanJatoreu verhältnismäßig niedriger Kapazität, dia wit erwünscht die

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Ableitströme klein halten. Die bei Einhaitung der geforderten Sicherheitsbedingungen günstigsten Übertragungseigenschaften ergeben sich» wenn das kapazitive Kopplungsglied aus zwei Kon-* densatoren der Kapazität in der Größenordnung von etwa 100 pF gebildet ist j von denen der eine zur Signalübertragung und der •andere zur Masse-Entkopplung vorgesehen ist.

Ein einfacher Aufbau der Modulatoren ergibt sich, wenii als Modulatoren Pulslängenmodnlatoren verwendet werden; der Modulationsgenerator besteht dabei zweckmäßig aus einein bipolar-symmetrischen Dreiecks-Generator und der Modulator aus einem Komparator. Kin bipolar-symmetrischer Dreiecks-Generator erlaubt in einfacher Yieise die Erfassung sowohl positiver als auch negativer Signale. Die Verwendung derartiger Pulslängenmodulatoren hat außerdem noch den Vorteil, daß eine Frequenzdrift des Modulationsgenerators die Übertragungseigenschaften der Koppelstelle nicht verändert.

Zweckmäßig ist es außerdem, das Verhältnis zwischen maximaler übertragun^sfrequenz und der Genoratorfrequenz in der Größenordnung von etwa 1 : 40, vorzugsweise für eine maximale Übertragungsfrequenz von 400 Hz eine Generatorfrequenz von 16 .kHz zu wählen. Bei einer derartigen -Wahl der Generatorfrequenz lassen sich als Demodulatoren Tiefpässe verwenden, deren Flanken- M steilheit für eine einwandfreie Demodulation genügend groß ist und trotzdem noch in solchen Grenzen liegt, daß sich ein schaltungstechnisch einfacher und billiger Aufbau der Tiefpässe ergibt. Zweckmäßig ist es weiterhin, dem Modulator einen Tiefpaß vorsu3chalten, der unerwünschte Frequenzmischungeii boi der Modulation verhindert.

DIg elektrische Schaltungsanordnung jeder Koppelatelle wird zweckmäßig auf einer für die Koppelstelle eißonen Schaltplatte aufgebaut; die AnschlUase der Koppelstellen an die Geräte hö-

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herer Sicherheitsklasse einerseits bzw. an die Signalleitungen andererseits sollen dabei gleichartig als Steckanschlüsse ausgebildet sein. Die Koppelstellenanschlü3se und die dazu passenden Gegenanschlüsse der Geräte höherer Sicherheitsklasse bzw. der Signalleitungen sollen außerdem derart symmetrisch zueinander aufgebaut sein, daß sich für ^ede Schaltplatte zwei verschiedene Steckmöglichkeiten in die Gegenanschlüsoe ergeben, bei denen die Übertragungsrichtung der Koppelstelle jeweils umgekehrt ist; dadurch ist es möglich, auf einfache Veiee, d.h. ohne großen Aufwand an Umschaltern oder dergleichen, durch Umstecken der einzelnen Schaltplatten sowohl Signale von den Geräten höherer Sicherheitsklasse zu den entsprechenden Verarbeitungs- bzw. Anzeigegeräten (Vorwärtsbetrieb) als auch in umgekehrter Richtung (Rückwärtsbetrieb) von den Anzeige- bzw. Verarbeitung3geräten - gegebenenfalls auch durch Einschalten einer Zentrale - in den medizinisch genutzten Raum zu übertragen.

Zur Einsparung von Modulationsgeneratoren ist es vorteilhaft, die Modulatoren mehrerer Koppelstellen an einen gemeinsamen Modulationsgenerator anzuschließen. Pur dessen Anschluß sind dabei auf der Seite der Geräte höherer Sicherheiteklasse die Gegenanschlüsse um einen entsprechend ausgebildeten Kontakt ergänzt*

V/eitere Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung werden anhand einer Figur, die ein Ausführungsbeispiel der .Erfindung darstellt, im folgenden näher erläutert.

DJ ο Figur zeigt ein Prinzipschaltbild der erfindungßgemüßen medizinischen Gerätegruppe.

In der Figur befinden sich in einem medizinisch genutzten Raum 1, z.B. Oparationsraum, (gnstrichelt gezeichnet) drei mit einem

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(nicht eingezeichneten) Patienten über Elektroden oder dergleichen verbundene Geräte 2,3, 4 höherer Sicherheitskiasse, z.B. Elektrokardiograph, Slektroencephalograph und dergleichen. Die von den Geräten 2 bis 4 erfaßten Signale werden über die iiignalleitungen 5, 6, 7 einem außerhalb des medizinisch genutzten Raumes 1 befindlichen Verarbeitüngs- bzw. Anzeigegerät 8 (Datenverarbeltungaanlage) zugeführt. Die Kopplung des Gerätes2 mit der Signalleitung 5 geschieht über eine erste aus den Schal* tungselementen 9 bis 14 gebildete Koppelstelle, die Kopplung des Gerätes 3 mit der Signalleitung 6 über eine zweite aus den ■^lementen 15 bis 20 gebildete Koppelstelle und die Kopplung "% des Gerätes 4 mit der Signalleitung 7 über eine aus den Schaltungselementen 21 bis 26 gebildete.. Koppelstelle, Dabei stellen die Elemente 9, 15, 21 je einen Verstärker mit nachgeschaltetem Tiefpaß, die Elemente 10, 16, 22 je einen Komparator, die Elemente 11, 12, 17, 18, 23 und 24 je einen Kondensator der Kapazität von 100 pF, die Elemente 15, 19» 25 jeeine bistabile Kippschaltung und die Elemente 14, 20, 26 je einen Tiefpaß dar. Die Komparatoren 10, 16, 22 sind als Modulatoren verwendet und dienen zusammen mit einem bipolar-symmetrischen Dreiecks-Generator 27 (Modulatioiiegenerator) der Pulslängenmodtilation der von den Geräten 2 bis 4 erfaßten Signale. Die In den Elementen 9, 15, 21 enthaltenen Tiefpässe verhindern unerwürischte bei a der Modulation auftretende Mischfrequenzen* Die an den Ausgän- ^v gen der Komparatoren 1C, 16, -22 erzeugten Impulse werden durch die Kondeneatoren; 11» 17, 23 differenziert. Die Hückbildurig der ursprünglichen Impulefolge geschieht mittels der bistabilen Kippstufen 13, 19, 25, die Demodulation der Signale schließlich in den Tiefpässen 14_f 20, 26. Die Kapazitäten 12, 18 und 24 dienen zur Masee-EntkOppiung. Jede Koppeletelle 1st auf einer für die Koppelstelle eigenen Schaltplatte aufgebaute Die An- ■chlüsBe 28 bis 33 der Koppelotellen an die Geräte 2bis 4 bzw. an dtn Modulationegenerator 27 sind als: Steckaneöhlüsae ausgerr

zu diesen AnschlüsBen .28 bis 55 befinden; :

sich weitere SteckanschlÜBse 34 bis 39» von denen die Anschlüsse 351 37 und 39 die Anschlüsse zu den Signalleitungen 5, 6 und 7 und die Anschlüsse 34, 36, 38 die Gegenanschlüsse eines zweiten Modulationsgenerators 40 darstellen. Aufgrund eines derartigen Aufbaus der AnschlÜ33e 28 bis 39 ergibt sich die Möglichkeit, jede einzelne ochaltplatte mit ihrer Koppelstelle umzustecken und damit auf einfache V/eise die Übertragungsrichtung der Koppelstelle umzukehren. In dem Ausführungsbeispiel ist eine derartige rückwärtsbetriebene Koppelstelle mit den Elementen 41 bis 46 dargestellt, wobei das Element 41 wieder einen Verstärker mit nachgeschaltetem Tiefpaß, das Clement 42 einen mit dem Modulationsgenerator 40 gekoppelten Komparator für die Pulslängenmodulation, die Elemente 43, 44 Kapazitäten von 100 pF, das Element 45 eine bistabile Kippstufe und das Element 46 einen Tiefpaß als Demodulator darstellen. Über diese Koppelstelle wird beispielsweise das von der Datenverarbeitungsanlage 8 ermittelte Ergebnis einer Signalanalyee durch Rückmeldung einem Sichtgerät 47 im Raum 1 zur Anzeige zugeführt. Die Rückmeldung geschieht dabei durch eine mit der Datenverarbeitungsanlage 8 verbundenen Zentrale 48 über die Signalleitung Die Anschlüsse der rückwärtsbetriebenen Koppelstelle an das Sichtgerät 47 bzw. den Generator 27 sind entsprechend den Anschlüssen 28 bis 33 aufgebaut und mit 50, 51 bezeichnet. Entsprechendes gilt für die mit 52, 53 bezeichneten Anschlüsse dieser Koppelstelle an den Generator 40 bzw. an die Signalleitung 49.

Der Generator 27, das Sichtgerät 47 sowie sämtliche Koppelstelleu-Bauelemente zwischen den Geräten 2 bis 4 und den Koppelkondensatoren sind aus einem ersten Netzgerät 54, der Generator 40 sowie sämtliche Koppelstellen-Bauelemente zwischen den Koppelkondensatoren und den Signalleitungen aus einem zweiten Netzgerät 55 gespeist. Die Uetzgeräte sind achutaieoliert über

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die gemeinsame Koppelspule 56 an das rauminterne Versorgungsnetz 57 angeschlossen. Beide Netzgeräte sind auch untereinander schutzisoliert. Die Verwendung zweier getrennter derart gegeneinander hochisoliert aufgebauter Hetzgeräte anstelle eines gemeinsamen Wetzgerätes verhindert die evtl. Zuführung einer an den Signalleitungen anliegenden Störspannung über die Netzversorgung. Die strichpunktierte Linie 5Ü gibt die Stellen innerhalb des medizinisch genuteten Raumes 1 an, an denen das Eindringen von Störspannungen von den gegebenenfalls Netzspannung führenden Signalleitungen verhindert ist.

Das Ausführungsbeispiel ist aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit lediglich als Vierkanal-Gyatem (vier SignalÜbertragungswege mit je einer Koppelstelle) aufgezeichnet. Es läßt sich jedoch selbstverständlich auch als Fünf-, Sechs- usw. Kanalsystem aufbauen. .

Die kapazitive Kopplung (2 χ 100 pP) bedingt im ungünstigsten Pali bei einer an den Signalleitungen anliegenden Spannung von 380 V/50 Hz einen Ableitstrom von 20/uA je Übertragungskanal. Bei insgesamt sechs Übertragungskanälen würde dann der gesainte Ableit&trom im Störungsfall 320/uA betragen, wenn der Maximalwert des über die Netzversorgung zufließenden Ableitstromes 200/UA beträgt. Damit würde der maximal auftretende Ableitstroia in seiner Größe auf jeden Fall noch unterhalb des nach Schutzklasse I (VDiS 0750 Teil 1) zulässigen Wertet? von 750/uA liegen.

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Claims

Patentansprüche

M./Medizinische Gerätegruppe, bestehend aus in medizinisch Genutzten Räumen befindlichen Gerriten höherer Sicherheitsklasse (VDE O75O), z.B. Elektrokardiograph, Electroencephalograph und dergleichen, sowie aus daran über Signalleitungen angeschlossenen außerhalb dieser Räume befindlichen Verarbeitungsbzw. Anzeigegeräten'geringerer .-icheiiieitsklasse, z.B. einer Datenverarbeitungsanlage, die beisxjielsweise die vom Elektro- W kardiographen erfaßten Signale analysiert und gegebenenfalls durch Rückmeldung das Ergebnis auf einem Sichtgerät im medizinisch genutzten Raum anzeigt, gekennzeichne t durch in den Sjgnalleitungen ^flj, C, 7, 49) - möglichst nahe den Geräten (2, 3, 4, 47) höherer Sicherheitsklasse eingeschaltete galvanisch trennende Koppelstellen (9 bis 14; 15 bis 20; 21 bis 26; 41 bis 46) mit einem den für Geräte höherer Sicherheitsklasse maximal zuläord-ion W<?rt nicht überschreitenden Ableitstrom bei im Störungsfall nn den Signalleitungen außerhalb der Räume anliegender Netaspmmung.
2. Medizinische Gerätegrupi>e nach Anapnaeh 1, dadurch ge- ^ kennzeichnet, daß jede Koppelstell^ vornugswoiso für die übertragung niedrigster Frequenzen, insbesondere zwischen 0 bis 400 Hz, ausgelegt ist.
?, Medizinische Gerätegruppe > ηγ1· Λΐΐκρηκ.ΐι 2, dadurch gekennzeichnet, ücS ,jr-do KoppcilEtolle *··:■ Richtung dvr zu übertragenden Inforinatic.n gebildet ist- ir wesentlichen'aus einem Modulator (κ. P-. "O) rait eirnm Modu'i -■:.-i oücg^norat-O'' (a.B. Γ7) > *-:inoin vor^ugKwriF'.· l-^paKitiv;» Kor]- J'i;■;■.»;■·gi led (n„^!<. 11, 12) ujxd ri Jiom Dp modul;? to.! (i,.P. 14).
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aus zwei Kondensatoren (z.B. 11, 12) der Kapazität in der Größenordnung von etwa 100 pF, von denen der eine' (z.B. 11) zur Signalübertragung und der andere (z.B. 12) zur Masse-Entkopplung vorgesehen ist.
5. Medizinische Gerätegruppe nach Anspruch 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Modulator ein Pulslängenmodulator verwendet ist. -.-':■
6. Medizinische Gerätegruppe nach Anspruch 5, dadurch ge-rkennzeichnet, daß als Modulatjionsgenerator ein bipolar-symmetrischer Dreiecks-Generator und als Modulator ein Komparator verwendet ist. ^j
7. Medizinische Gerätegruppe nach Anspruch 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen maximaler Ubertragungsfrequenz und der- Generatorfrequenz in der Größenordnung von etwa 1 ; 40 liegt, vorzugsweise für eine maximale Übertragungsfrequenz von 400 Hz eine Generatorfrequenz von 16 kHz gewählt ist.
8. Medizinische Gerätegruppe nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Modulator (z.B, 10.) ein Tiefpaß (z.B. 9) vorgeschaltet ist.
9. Medizinische Gerätegruppe nach Anspruch 1 bis 8, dadurch 'gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltungsanordnung Jeder Koppelstelle auf einer für die Koppelstelle eigenen Schaltplaijteaufgebaut ist und dieAnschlüsse(29, 31, 33, 51) der Koppelsteilen an die Geräte höherer Sicherheitsklasse einer seits bzw. die Anschlüsse (35, 37, 39, &3) an die Signalleiturigen andererseits gleichartig als StecJcanschiüsse ausgebildet sind. -

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10. Medizinische Gerätegruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse der Koppels teilen und die Gegenanschlüsse der Geräte höherer Sicherheitsklasse bzw. der Signalleitungen derart symmetrisch zueinander aufgebaut sind, daß sich für jede Schaltplatte zwei verschiedene Steckmöglichkeiten in die Gegenanschlüsse ergeben, bei denen die Übertragungsrichtung der Koppelstelle jeweils umgekehrt ist (Vorwärtsbzw. Rückwärtsbetrieb).
11. Medizinische Gerätegruppe nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulatoren mehrerer Koppelstellen an einen gemeinsamen Modulationsgenerator (27) angeschlossen sind.
12. Medizinische Gerätegruppe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß für den Anschluß des gemeinsamen Modulationsgenerators (27) auf der Seite der Geräte (2, 3, 4, 47) höherer Sicherheitsklasse die Gegenanschlüsse um einen entsprechend ausgebildeten Kontakt (28, 30, 32, 50) ergänzt sind.
13. Medizinische Gerätegruppe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß für den Anschluß eines weiteren Modulationsgenerators (4o) auf der Seite der Signalleitungen (5, 6, 7» 49) die Gegenanschlüsse um einen entsprechend ausgebildeten Kontakt (34, 36, 38, 52) ergänzt sind.
14. Medizinische Gerätegruppe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulationsgenerator (27) mit den geräteseitigen Gegenanschlüssen samt den Koppelstellen-Bauelementen zwischen den Geräten höherer Sicherheitsklasse und den Koppelkondensatoren aus einem ersten (54) sowie der Generator (4Q) mit den signallaitungsseitigeri Gegenanechlüseen samt den Bauelementen zwischen den Koppelkondensatoren und den SignaHaltungen aus einem zweiten (55) auch gegenüber dem ersten hochlsoliert aufgebauten Netzgerät gespeist ist.

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