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Biomedizinische Signalverarbeitung mit Personal Health Care Systemen
1
Fachgebiet Elektronik und medizinische Signalverarbeitung – Prof. Dr.-Ing. Reinhold Orglmeister
04.06.2012 Vorlesung Medizinelektronik – Sommersemester 2012
Übersicht
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> Übersicht> Personal Health Care > BSN > Pulsoxymetrie >EKG >Anwendung > Ausblick
04.06.2012 Vorlesung Medizinelektronik – Sommersemester 2012
� Personal Healthcare Systeme Intelligentes Telemonitoring
� Body Sensor Network
Biosignalgewinnung und Verarbeitung
� Aktuelle ForschungsaktivitätenPulsoximetrie, Artefaktunterdrückung
SpO2
68
BSN
Demographischer Wandel
3
> Übersicht> Personal Health Care > BSN > Pulsoxymetrie >EKG >Anwendung > Ausblick
04.06.2012 Vorlesung Medizinelektronik – Sommersemester 2012
Statistisches Bundesamt 2009
AQ: 16 AQ: 27 AQ: 64
Demographischer Wandel
4
> Übersicht> Personal Health Care > BSN > Pulsoxymetrie >EKG >Anwendung > Ausblick
04.06.2012 Vorlesung Medizinelektronik – Sommersemester 2012 Maik flugradt
Echo Online, 1.6.2012
Omnibus Home Health Care, 2012
Durchschnittliche Arztbesuche pro Jahr (2007): 18
Schwäbisch Gmündener Ersatzkasse (GEK)
Ausgaben der gesetzlichen Krankenkassen
5
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04.06.2012 Vorlesung Medizinelektronik – Sommersemester 2012
Daten zum Gesundheitswesen 2011www.bmg.bund.de
Todesursache: Herzkreislaufsystem
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04.06.2012 Vorlesung Medizinelektronik – Sommersemester 2012
Daten zum Gesundheitswesen 2011www.bmg.bund.de
Ambient Assisted Living
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04.06.2012 Vorlesung Medizinelektronik – Sommersemester 2012
4. AAL Forum 24.09.2012 – 27.09.2012 EindhovenOffizielle Konferenz des Ambient Assisted Living Programms
Typische Themenschwerpunkte
• Ageing friendly Europe• Low costs solutions• Living Labs • Robot Comapions• Integrated Care
Telemonitoring
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04.06.2012 Vorlesung Medizinelektronik – Sommersemester 2012
Chris Otto, Journal of Mobile Multimedia, 2006
Vorteile des Langzeitmonitorings
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04.06.2012 Vorlesung Medizinelektronik – Sommersemester 2012
• Störungen im EKG treten oft nicht bei Momentaufnahmen während des Arztbesuches auf
� Auswertung von Langzeit-Monitoring-Daten oft aufschlussreicher
Beispiel: Ventrikuläre Extrasystolen
Übersicht
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04.06.2012 Vorlesung Medizinelektronik – Sommersemester 2012
� Personal Healthcare Systeme Intelligentes Telemonitoring
� Body Sensor Network
Biosignalgewinnung und Verarbeitung
� Aktuelle ForschungsaktivitätenPulsoximetrie, Artefaktunterdrückung
Langzeitmonitoring
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04.06.2012 Vorlesung Medizinelektronik – Sommersemester 2012
Signalstörungen aufgrund von BewegungsartefaktenKontinuierliche Messungen über Tag und Nacht
Konzept – Body Sensor Network
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• Aufbau eines Telemonitoring-Systems durch Verwendung eines Body-Sensor-Networks.
• Einzelsensoren für EKG, PPG - SpO2, PCG
• „Smart Sensors“:
– Kombinierte Sensoren erfassen Biosignale und die Beschleunigungswerte alsIndikator von Artefakten.
– Intelligente Algorithmen kompensieren Bewegungsartefakte weitestgehend direkt auf dem Sensor.
• Sternförmige Netzwerktopologie mit Koordinator zur Zusammenführung der Vitaldaten
EKG Temperatur
Beschleunigung
AtmungAkustik
Pulsoxymetrie
Anzeige für den Patienten
Kommunikation mit dem Arzt
Subsystem
Subsystem
Subsystem
Subsystem
Subsystem
Subsystem
Body Sensor Network
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• Drahtlose Kommunikation nach IEEE802.15.4 (Zigbee)
• Synchronisation der verschiedenen „Smart-Sensors“ bezüglich des Abtastzeitpunktes
• Garantierte Time-Slots für sichere Übertragung der Rohdatenströme
• Eventdatenübertragung (Auswertung des QRS Komplexzeitpunktes, Tags für Aktivitätserkennung…)
• Batteriebetriebene Sensoren, Engergiesparmethoden.
Body-Sensor-Network
Funktechnologie
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Bluetooth IEEE 802.15.4
Band 2.45 GHz ISM band
Verlässlichkeit Mittel Sehr hoch
Stack Komplexität Mittel – hoch Gering
Energieverbrauch ~65 mA ~20 mA
Reichweite Bis zu 100 Metern 20 – 50 Meter
Datenrate Up to 3 Mbit/s 250 kbit/s
Skalierbarkeit Gering (bis 8 Devices)
Sehr hoch(bis zu 65000 dev.)
Bluetooth vs. IEEE 802.15.4
� IEEE 802.15.4 ist die beste Wahl für das angestrebte BSN
Stand 2008 !
Funktechnologie
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04.06.2012 Vorlesung Medizinelektronik – Sommersemester 2012
Bluetooth IEEE 802.15.4 Bluetooth 4.0Bluetooth Low Energy
Band 2.45 GHz ISM band
Verlässlichkeit Mittel Sehr hoch -Stack Komplexität Mittel – hoch Gering Mittel – hoch
Energieverbrauch ~65 mA ~20 mA ~20 mA
Reichweite Bis zu 100 Metern 20 – 50 Meter Bis zu 50 Metern
Datenrate Up to 3 Mbit/s 250 kbit/s Up to 1 Mbit/s
Skalierbarkeit Gering (bis 8 Devices)
Sehr hoch(bis zu 65000 dev.)
Sehr hoch
Bluetooth vs. IEEE 802.15.4
� IEEE 802.15.4 vs. Bluetooth 4.0 Low Energy ?!
IEEE 802.15.4
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04.06.2012 Vorlesung Medizinelektronik – Sommersemester 2012
Superframe Struktur
IEEE 802.15.4:• 16 Kanäle im 2.45 GHz ISM band
• Verschlüsselung möglich (AES-128)
• 16 und 64 bit Addressierung
Beacon Enabled Network:• Beacon Packages
– bilden einen Rahmen aus 16 time slots
– übertragen Information über die superframe structure und den Anmeldevorgang (GTS)
• Segmente der Superframe Structure
– contention access periode (CAP)
– contention free periode (CFP)
Guaranteed Time Slots (GTS)
• Skalierbarkeit durch dynamische Zuweisung von Time Slots
• Festgelegte Übertragungs-richungen zwischen FFD und Koordinator
Energiesparstrategie - RF
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→ duty cycle für RX: 0.5 % → mittlerer Strom: 0.1 mA
Energiesparstrategie - RF
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Kontext abhängige Datenrate
schwache Artefakte starke Artefakte
• Korrektur direkt auf dem Sensorsystem (ANC)
• Extraktion von Vitalparametern
• Geringe Datenrate
• Vitalparameter
• Artefaktkompensation im Koordinator
• Datenfusion
• Vitalparameter
Rohdatenübermittlung
Body Sensor Network - Koordinator
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04.06.2012 Vorlesung Medizinelektronik – Sommersemester 2012
• Aufbau aus CC2420 RF-Chip, MSP430F1611 Mikrocontroller (16 bit ultra-low-power MCU), 8 MHz, 48 kByte Flash, 10 kByte RAM) und FT232 USB UART bridge
• Kommunikation mit dem PC mit 250 kbps
• PHY und der halbe MAC sind in Hardware implementiert, die 2. Hälfte des MAC ist in Software aufgebaut.
USB 802.15.4 Koordinator
EKG - Sensorgurt
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• Einkanal EKG + Beschleunigungssensor
• Standzeit von etwa 5 Tagen durch LiPo-Zelle
• Signalverarbeitung: QRS-Komplex-Erkenner (Pan/Tompkins), ANC
• Speicherung aller Biosignale und Vitalparameter auf MicroSD Karte (FAT16)
EKG-Modul mit BeschleunigungssensorBlockschaltung EKG-Sensor
EKG - Sensorgurt
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• Einkanal EKG + Beschleunigungssensor
• Standzeit von etwa 5 Tagen durch LiPo-Zelle
• Signalverarbeitung: QRS-Komplex-Erkenner (Pan/Tompkins), ANC
• Speicherung aller Biosignale und Vitalparameter auf MicroSD Karte (FAT16)
EKG-Modul mit BeschleunigungssensorBlockschaltung EKG-Sensor
Multikanal EKG Sensor
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• TI ADS1298 Analoges EKG Frontend (8 Kanäle)
• freeRTOS Betriebssystem für optimiertes Resourcenmanagement
• CC2500 2.4 GHz RF Transceiver
Basisstation
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Basisstation
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Anforderungen an die Basisstation
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� Einsatz leistungsstarker Signalprozessoren (DSPs)
• Hardwaremultiplizierer• Gleitkommaeinheiten (FPU‘s)• Direct Memory Access Bausteine (DMA)• Sehr hohe Taktraten
Beispiel: TI TMS320C67x™ Serie, Rechts: DSK6713
• Komplexe Signalverarbeitung• Realzeitberechnungen
• Userinterface (Eingabe, Ausgabe)Darstellung von Signalplots, Vitalparametern, etc…
• Datenhandling und Speicherung (mehrere Gbytes Rohdaten)
• Flexibilität, Internetanbindung, Energiesparend
OMAP35x System
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Blockdiagramm:
OMAP35x EVM
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Anbindung des Body Sensor Networks an das OMAP35x EVM
• Visualisierung Implementierung mit dem QT FrameworkSchlankere Lösungen mit der SDL Bibliothek
• Betriebssystem: Ubuntu Linux
• IT++ Bibliothek für KomplexeSignalverarbeitungsaufgaben
• DSP Unterstützung C6EZAccel
Beagle Board
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Community Projekte: www.BeagleBoard.org
BeagleBoard (OMAP3530 Architektur)• ~100 Euro• 2 Watt Stromverbrauch (Volllast)• Viele Community Projekte, Foren, Support• Linux Unterstützung
Daughter Cards Einfaches Anbinden von Peripherie (Zum Beispiel EKG Verstärker)
http://elinux.org/BeagleBoard_Trainer
OMAP 5
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Übersicht
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� Personal Healthcare Systeme Intelligentes Telemonitoring
� Body Sensor Network
Biosignalgewinnung und Verarbeitung
� Aktuelle ForschungsaktivitätenPulsoximetrie, Artefaktunterdrückung
Pulsoximetrie - Sauerstoffsättigung
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• Pulsoximetrie (SpO2) ist ein Verfahren zur nicht invasiven Ermittlung der arteriellen Sauerstoffsättigung (SaO2), das eine kontinuierliche Sauerstoffmessung durch eine Photometrische Messung ermöglicht.
• Ausreichende Versorgung der Organe und des Körpergewebes mit Sauerstoffs gehört zu den wichtigsten Vitalfunktionen.
• Sauerstoffmangel (Hypoxie) führt schon nach wenigen Minuten zu verringerter Leistungsfähigkeit der Muskulatur, reduzierter mentaler Leistungsfähigkeit und schließlich zum Absterben der Zellen.
• „5. Vitalparameter“ (Vitalparameter: Bluttemperatur, Pulsrate, Blutdruck, Atmung)
Pulsoximetrie - Sauerstoffsättigung
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Methode:
• Verfahren basiert auf der Messung der Lichtabsorption beim Durchleuchten von durchblutetem Gewebe.
Das spektralphotometrische Verfahren nutzt zwei Mechanismen:
• Hämoglobin-Extinktion (Lichtabsorption)
• Plethysmographie (Messung der Umfangsänderung)
Pulsoximetrie - Sauerstoffsättigung
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• 1-2 % des Sauerstoffs sind im Plasma gelöst, die verbleibenden 98 % werden durch das Hämoglobin (Hb) transportiert.
• Bindung hängt vom Sauerstoffpartialdruck pO2 ab.
– Lunge: sehr hoher Partialdruck → nahezu gänzliche Bindung an das Hämoglobin (Oxyhämoglobin)
– Zelle: geringer ParXaldruck → HbO2 wird in
desoxygeniertes Hb umgewandelt
• Hämoglobin-Sauerstoff-Affinität hängt ab von: pH-Wert,
CO2, Partialdruck (pCO2), Temperatur (T) und 2,3-
Diphosphoglyzeratkonzentration (2,3-DPG)
• Sauerstoffsättigung bei Gesunden:
SaO2 = 94 – 98 %
Bindungskurve [MCC]
Pulsoximetrie – Hämoglobin - Extinktion
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Beer-Lambert Gesetz:
Die vollständige Absorption des Mediums nach Durchleuchtung mit Licht besteht aus der Summe der Absorptionen der unabhängigen Absorber, wenn keine Streuung vorliegt.
At: Gesamtabsorption / optische Dichte
εi: molarer Extinktionskoeffizient der Substanz i
ci: Konzentration der Substanz i
li: Dicke der durchstrahlten Substanz i
Hämoglobin besteht hauptsächlich auf vier Fraktionen: HbO2 – Hb – COHb – MetHb
→ Alle Bestandteile besitzen verschiedene Absorptions-Charakteristika
tAeII −= 01
ii
n
ii
N
Nt lc
I
I
I
IA )(lnln
1
0
0
λε∑=
==−=
Pulsoximetrie – Hämoglobin - Extinktion
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Δε(R)
Δε(IR)
• Hämoglobin ist von 630 – 1000 nmtransparent (optisches Fenster)
• Bestimmung der Sauerstoffsättigung über die „Blutfarbe“
– rötlich: HbO2 absorbiert stark blaues Licht → hohe Sauerstoffsättigung
– blau: Hb absorbiert im sichtbaren
Spektrum → niedrige
Sauerstoffsättigung
• Pro Absorber eine Lichtquelle!
• Zwei Wellenlängen zurMessung der funktionellen Sauerstoffsättigung: Rot (660 nm) und nahes IR (890-940 nm)
Absorptionsspektrum [MCC]
Pulsoximetrie – Sensoren
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Transmissions-Oxymetrie
• Zur Messung wird rotes und infrarotes Licht durch ein peripheres Körperteil (Finger, Ohrläppchen) gestrahlt und das ankommende Licht mit einem Photodetektor gemessen.
Kommerzielle Sensoren [Masimo]
Sensoraufbau [Philips]Pulsoximeter Radical 3 [Masimo]
Pulsoximetrie – Plethysmographie
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• Das Licht wird vorwiegend von folgenden Substanzen absorbiert:
– Hautpigmentierung
– Knochen
– venöses und arterielles Blut
• Gesamtabsorption als Summe der Teilabsorptionen für zwei Wellenlängen:
– o: oxigeniertes Hämoglobin
– r: reduziertes Hämoglobin
– x: variable Absorption
– Ay: alle weiteren nicht spezifizierten Absorber
Aufteilung der verschiedenen Absorptionen
11111 yxxxrrrooo AlclclcA +++= εεελ
22222 yxxxrrrooo AlclclcA +++= εεελ
Pulsoximetrie – Plethysmographie
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• Die Änderung des Blutvolumens durch das Pulsieren des arteriellen Blutes sorgt für eine Modulation der Absorption.
• Um den Einfluss des arteriellen Blutes zu isolieren wird daher nur dieser zeitveränderliche Anteil ausgewertet.
• Annahme: Die effektive Dicke des nichtarteriellen Absorbers ist konstant → d(cxlx)/dt = 0
• Alle weiteren Absorber ändern sich nicht → dAy/dt = 0
• Nimmt man an, die Dickenänderung der beiden Blutschichten sind equivalentzueinander, dann kann das Verhältnis der zeitlich veränderlichen Teile der Absorption der beiden Wellenlängen zu folgendem vereinfacht werden:
rroo
rroo
cc
cc
II
II
dtIId
dtIId
dtdA
dtdAR
22
11
2
1
22
11
02
01
/
/
/)/log(
/)/log(
/
/
εεεε
λ
λ
++
=∆∆=
−−==
Pulsoximetrie – Plethysmographie
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Funktionale Sauerstoffsättigung:
Durch Einsetzen in die resultierende Formel für R kann nach Umstellen die Sauerstoffsättigung direkt als Funktion von R errechnet werden:
R
RSpO
oror
rr
)()( 2211
212 εεεε
εε−−−
−=dRc
bRaSpO
−−=2
Da die idealisierten Annahmen, dass die sich ändernden Weglängen gleichen und monochromatische Lichtquellen verwendet werden, in der Praxis nicht umgesetzt werden können, muss die ideal errechnete Gleichung noch empirisch kalibriert werden.
Pulsoximetrie – Grenzen
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04.06.2012 Vorlesung Medizinelektronik – Sommersemester 2012 Maik Pflugradt
Einschränkung der Messungenauigkeit von Pulsoximetern
• Bewegungsartefakte
• Minderperfusion
• Venöse Pulsation
• Dyshämoglobine
• Optische und elektrische Störstrahlung
• Farbstoffe
• statischer Blutdruck
normales Signal
(Photopletysmogram PPG)
Minderperfusion
gestörtes Signal
Bewegungsartefakt
Pulsoximetrie – SpO2 Sensor
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• PPG Sensor (Rot/Infrarot und Beschleunigungssensor)
• Standzeit von etwa 5 Tagen durch LiPo-Zelle
• Speicherung aller Roh- und Vitaldaten auf einer MicroSD Karte (FAT16)
Blockschaltung: Finger Clip – PPG Sensor mit Beschleunigungssensor
Pulsoximetrie – SpO2 Sensor
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Artefaktunterdrückung
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Adaptive Filter mit Beschleunigungsinformation als Input
Artefaktunterdrückung
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Statistische Ansätze: Blinde Quellentrennung
Gemessenes Signal �� ist eine Überlagerung aus mehreren Quellen ��.Einzige Vorraussetzung: Die Quellen sind statistisch Unabhängig !
�� � ������� � ���
ICA für gestörtes EKG Signal
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Artefaktunterdrückung
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Ende
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EKG - Ableitung
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• Ermittlung der Pulsrate auf einfachem Weg möglich
• Elektrische Anregung als Auslöser der Herz-Kreislauf-Aktivität
• Wichtigstes Diagnosemittel
Ableitungen nach Einthoven Typische EKG Signale
EKG - Elektroden
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• Elektrode ermöglicht einen Stromfluss zwischen Haut und Messsystem
• Stromfluss im Körper beruht auf Ionenfluss – im Messsystem auf Elektronenfluss
• Am Übergang zur Elektrode kommt es zur chemischen Reaktion
• Klassische Klebeelektroden nutzen die Silber/Silberchlorid Doppelschicht
• Stromfluss von Elektrode in Richtung Elektrolyt:
– Silber wird oxidiert
– freier Ladungsträger kann sich entgegengesetztzur technischen Stromrichtung bewegen
– Überschuss an Cl- Ionen wird durchAbgabe von Ag+ Ionen ausgeglichen
• Elektrolyt muss auf Elektrode aufgetragen werden
→ FunkXon nur bei „feuchter“ Elektrode
• Gewünschte Eigenschaften:
– mehrfache Verwendung
– geringe Signalverzerrung
• Nichtpolarisierende Elektrode
Ag
Ag
Ag
Ag
Ag+
Ag+
Ag+
Cl-
Cl-
Cl-
e-
e-
e-
Elektrode Elektrolyt
Strom
Übergang Elektrode-ElektrolytKlebeelektrode
EKG - Elektroden
50
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• Elektroden weisen ein nichtlineares Verhalten auf. Sie sind stark vom fließenden Strom, der Frequenz und der Wellenform abhängig.
• Wählt man Ri >> RD so fallen Pol und Nullstelle zusammen und für Ri >> RS kann die Verstärkungsänderung vernachlässigt werden
Ersatzschaltbild der Haut-Elektrode-Verstärker-SchnittstelleRs: Serienwiderstand des ElektrolytsRD: Leckwiderstand an der DoppelschichtCD: Kapazität an der DoppelschichtVPOL: Polarisationsspannung am Elektrode-Haut-Übergang Bodediagramm-Approximation des Interfaces
EKG - Artefakte
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• Bewegungsartefakte entstehen vornehmlich durch folgende Mechanismen:– Druckänderungen an der Elektrode
– Verschiebung der Elektroden
→ Änderung der PolarisaXonsspannung ΔVPOL
→ Änderung des Elektrodenwiderstandes ΔRE
• Durch AC-Kopplung werden Artefakteniederfrequenter Änderungen der Polarisationsspannung unterdrückt
• AC-Kopplung eliminiert ebenfallsresistive Artefakte, da weder derEingangsruhestrom durch die Elektrode fließt, noch ein Stromaufgrund der Polarisationsspannung.
• Arbeitspunkteinstellung erlaubt denBetrieb mit single supply und großerVerstärkung in der ersten Stufe. Einkanal EKG-Verstärker
)(i
POLBEPOLmot R
ViRVV +∆+∆=
Synchronisationsmechanismus
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Synchronisationsmechanismus
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RF Synchronisation
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