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Sensorik: Kontaktloses EKG

Die Prozedur beim EKG ist schon lästig: Oberkörper freimachen, ein kaltes Gel wird auf dem Brustkorb verteilt, um den ohmschen Kontakt der Elektroden mit der Haut herzustellen. Dann heißt es ruhig liegen, damit keine Elektrode abfällt. Das geht auch einfacher: mit kapazitiven Sensoren.

Plessey Atlantik

Kapazitive Sensoren kommen im industriellen Umfeld zwar schon länger zum Einsatz. Allerdings war es bisher noch nicht gelungen, kleinste Änderungen im Millivoltbereich, wie sie beispielsweise bei bioelektrischen Signalen (EKG, EMG, EOG, EEG) vorkommen, präzise genug zu erfassen. Kapazitive Elektroden nutzen grundsätzlich ein anderes Messprinzip als bisherige Arten von Elektroden, bei denen noch zusätzlich leitfähige Elektrolyte zum Einsatz kommen.

Die kapazitiven Elektroden haben eine dielektrische Oberfläche, die den Körper des Probanden vom Sensor isoliert und eine kapazitive Kopplung herstellt. Damit wird der bisher nötige ohmsche Kontakt überflüssig. Vorteile gegenüber bisherigen Sensoren:

  • trockene Kontakte,
  • kein Klebemittel nötig,
  • keine Verwendung von Elektrolyten, daher keine allergischen Reaktionen.
Bild 1: Vergleich einer EKG Messung mit Plesseys »EPIC«-Sensoren (unten) und nassen Ag/AgCl-Elektroden (oben)

Bild 1: Vergleich einer EKG Messung mit Plesseys »EPIC«-Sensoren (unten) und nassen Ag/AgCl-Elektroden (oben)

Um das EKG-Signal zu erfassen, sind für eine sogenannte »Ableitung I« mindestens zwei Sensoren nötig; ein Sensor am Handgelenk allein reicht nicht aus.

Mögliche Messpunkte sind zum Beispiel die linke und die rechte Hand oder der linke Arm und der rechte Finger (großes Bild).

Mit nur zwei »EPIC«-Sensoren (Electric Potential Integrated Circuit) von Plessey Semiconductors (Vertrieb: Atlantik Elektronik) lassen sich Messwerte erzielen, die gleich gut oder sogar besser sind als vergleichbare Messungen mit den bisher üblichen nassen Ag/AgCl-Elektroden (Bild 1).



Bild 2: Schaltbild eines kontaktlosen kapazitiven EPIC-Sensors

Bild 2: Schaltbild eines kontaktlosen kapazitiven EPIC-Sensors

Bei den EPIC-Sensoren bilden Elektrode und Hautoberfläche einen Kondensator, über den das Biosignal in die Elektrode einkoppelt (Bild 2).

Solch eine hochohmige Schaltung ist jedoch anfällig für Einkopplungen und könnte eine präzise Messung unmöglich machen.

Daher kommen ein Impedanzwandler und ein Verstärker zum Einsatz.

Dadurch lässt sich ein niederohmiges Anschlusskabel einsetzen, außerdem verbessert sich so der Sig-nal/Rausch-Abstandes direkt an der Signalquelle.

Bild 3: Ersatzschaltbild eines EPIC-Sensors

Bild 3: Ersatzschaltbild eines EPIC-Sensors

Um verwertbare Signale zu erhalten, kommt zusätzlich eine DRL-Schaltung nach dem »Driven Right Leg«-Prinzip zum Zuge. Dabei wird das Störsignal dem Probanden phasenverschoben wieder zugeführt, sodass Gleichtaktstörungen unterdrückt werden.

Betrachtet man das Ersatzschaltbild (Bild 3), so bilden der Körper und der Impedanzwandler ein RC-Glied, das für das eingekoppelte Biosignal als Hochpass wirkt.

Hierbei ist der Eingangswiderstand des Impedanzwandlers möglichst so anzupassen (erfolgt durch einen Bias-Pfad), dass der Filter die zu messenden bioelektrischen Signale passieren lässt. Typische Frequenzen von Biosignalen liegen bei 0,5 Hz bis 100 Hz, die nötige Eingangsimpedanz geht von mehreren hundert Megaohm bis mehrere Gigaohm.

Neue Anwendungsmöglichkeiten

Bild 6: Integration der EPIC-Sensoren in den Fahrersitz eines Autos

Bild 6: Integration der EPIC-Sensoren in den Fahrersitz eines Autos

Das Gewebe, aus dem der menschliche Körper besteht, ist elektrisch leitend, und die Veränderung der Ionenkonzentration der Zellen, aus denen die menschlichen Organe bestehen, lassen sich auch noch außerhalb der Körperzelle in einem gewissen Abstand messen. Daher sind Messungen durch Kleidung hindurch genauso möglich wie eine versteckte Integration solcher Sensoren in uns umgebenen alltäglichen Accessoires wie Uhren, Armbänder oder in Kleidung. Ein weiteres Beispiel dafür sind Sensoren im Fahrersitz eines Fahrzeuges, ohne dass der Fahrer lästig verkabelt werden muss (Bild 6).

Damit kann beispielsweise frühzeitig erkannt werden, wenn sich die Vitalparameter des Fahrers plötzlich verschlechtern. Dadurch lässt sich wiederum eine Gefährdung des Straßenverkehres vermeiden. Auch die Notfallmedizin könnte von der kontaktlosen EKG-Messung profitieren. Beim EKG misst man die Potenzialverteilung an der Oberfläche des menschlichen Körpers, die sich durch zeitliche Überlagerung aller Nervensignale im Herzen ergibt.

Bild 4: Prinzip der EKG-Messung und Übertragung bioelektrischer Signale

Bild 4: Prinzip der EKG-Messung und Übertragung bioelektrischer Signale

Das zu messende Signal liegt im Bereich einiger Millivolt. Anschließend verstärken, digitalisieren und filtern analoge Frontends (AFEs) und DSPs die analogen, bioelektrischen Sensorsignale. Hat die Signalverarbeitung diese Daten entsprechend aufbereitet, können sie beispielsweise per Bluetooth über das SPP-Profil oder Bluetooth Low Energy über das GATT-basierte Profil an ein Smartphone, ein Armband oder eine Uhr (mit entsprechender iOS- oder Android-App) übertragen werden (Bild 4).

In Kombination mit Bluetooth- oder Bluetooth-Low-Energy-Systemlösungen auf Modul- oder IC-Basis und den von Atlantik Elektronik auf Kundenwunsch anpassbaren Apps für iOS und Android bietet sich dem Kunden ein Gesamtpaket an Sensoren und drahtlosen oder drahtgebundenen Möglichkeiten der Übertragung und Überwachung von Vitalparametern.

Je nach Einsatzbereich in den Bereichen Sport und Fitness oder in der Echtzeit-Telemedizin (Homecare-Patienten-Fürsorge) sind unterschiedlichste drahtgebundene oder drahtlose Übertragungswege von bioelektrischen Signalen an ein Armband, eine Uhr oder ein Cloud-Netzwerk denkbar, die dann am PC zur Selbstkontrolle der eigenen körperlichen Fitness oder zur Gesundheitskontrolle von einem Arzt ausgewertet werden können.

Bei der drahtlosen Funkübertragung (z.B. über Bluetooth bei 2,4 GHz) müssen jedoch manchmal auch Einflüsse wie elektrische, magnetische oder elektromagnetische Felder auf aktive Körperhilfsmittel wie Herzschrittmacher, Defibrillatoren, Cochlea- und Retina-Implantate sowie Insulinpumpen berücksichtigt werden. Quellen dafür können Mobiltelefone oder tragbare Messgeräte sein. Aus diesem Grund wird in der Telemedizin ganz besonders auf solche Einflüsse geachtet und gerne auf vorzertifizierte, diesbezüglich geprüfte Lösungen zurückgegriffen.

Telemedizinische Netzwerklösungen

Bild 5: Terminal-Server »Connect ES« von Digi für Intensivstationen

Bild 5: Terminal-Server »Connect ES« von Digi für Intensivstationen

Bild 5 zeigt beispielhaft eine solche telemedizinische Lösung für den Einsatz im Bereich von Intensivstationen. Der nach der IEC/EN 60601 zertifizierte Terminal-Server »Connect ES« (Extended Safety) von Digi eignet sich zur seriellen Übertagung von bis zu acht galvanisch getrennten, seriellen RS-232-Ports und verfügt über eine 10/100-MBit/s-Netzwerkschnittstelle und einen optionalen Ethernet-Switch.

In Skandinavien sind solche telemedizinischen Netzwerklösungen schon längst fester Bestandteil des Gesundheitswesens. Im Vergleich zu diesen Ländern hat Deutschland heute ein ebenso ausdifferenziertes und gutes Gesundheitswesen, das allerdings im internationalen Vergleich als eines der teuersten anzusehen ist. Die Telemedizin nimmt in der heutigen Zeit eine für uns immer wichtigere Rolle ein, da sie nicht nur die Qualität und Patientensicherheit steigern kann, sondern zukünftig auch Kosten einsparen helfen kann.

Die Einbindung von Lösungen wie die kapazitiven Sensoren von Plessey, deren Übertragung von bioelektrischen Signalen über Bluetooth an tragbare Geräte und/oder Gateways ins telemedizinische Netz, vereinfachen die Überwachung von Patienten und könnten deren postoperative Überwachung in Krankenhäusern in Zukunft um ein Vielfaches verkürzen. Zudem vereinfacht es auch unser Gesundheitswesen und reduziert in Zukunft auch die oft im Krankheitsfall entstehenden hohen Kosten bei der Betreuung von Patienten.

Über den Autor:

Ulrich Lehmeyer ist als Produkt Marketing Manager bei Atlantik Elektronik für die EPIC-Sensoren von Plessey Semiconductors verantwortlich.